Банк семян в вечной мерзлоте

В наше время видовое и генетическое разнообразие растительного и животного мира планеты находится под угрозой: неожиданный и невосполнимый ущерб могут нанести последствия глобальных изменений климата, а также антропогенной деятельности, такие как техногенные катастрофы. По прогнозам специалистов, уже к середине XXI в. могут практически исчезнуть или подвергнуться серьезной генетической эрозии почти четверть видов высших растений, в том числе представляющие потенциальный экономический интерес.

Существует несколько способов по долговременному сохранению генетических растительных ресурсов. Наиболее удобная для хранения часть растений – семена, которые содержат уникальный набор генов. Поэтому в первую очередь речь идет о семенных банках, где образцы хранятся в течение десятилетий – этот метод имеет значительные преимущества перед другими из-за своей простоты и низкой трудоемкости. Создание такого «генетического запаса», особенно в отношении генов, значимых для селекции, – наиболее рациональный путь сохранения биоразнообразия в практических целях.

Подобные меры по сохранению семян редких и хозяйственно важных видов культурной и дикой флоры сегодня применяются во многих странах мира – общее число семенных банков приближается к полутора тысячам. В подобных хранилищах хранятся сотни тысяч образцов семян. Так, семенные банки Франции насчитывают около 500 тыс. образцов, Китая – более 800 тыс., Индии – более 600 тыс., США – около 1 млн, Бразилии – более 300 тыс. В России основным хранителем коллекции семян является санкт-петербургский Всероссийский институт растениеводства им. Н. И. Вавилова (ВИР), причем за последние 35 лет число образцов в его коллекциях сократилось почти вдвое и сейчас составляет 270 тыс.

Международный совет по генетическим ресурсам растений разработал общие стандарты хранения семенного материала, которых должны придерживаться все страны мира. Согласно этим положениям, семенной банк состоит из базовой и рабочей (действующей) коллекций, причем образцы из последней регулярно тестируются. Коллекции должны храниться в условиях, гарантирующих, что жизнеспособность (всхожесть) семян составит не менее 65 % в течение 10—20 лет хранения. Для этого перед закладкой в хранилище их высушивают до 3—7%-ной влажности и хранят при отрицательных температурах в герметичной упаковке.

Предпочтительные условия хранения для базовой коллекции – минус 180 °С и относительная влажность 5 %, однако комбинация температуры и влажности может варьировать, в том числе в зависимости от вида растения. Интересен тот факт, что зависимость между температурой и максимально возможной продолжительностью хранения семян нелинейна, поэтому экономическая выгода от снижения температуры (по крайней мере в диапазоне температур до –200 °С) уменьшается со снижением температуры хранения.

Хранение семян при низких температурах и низкой влажности позволяет сохранять жизнеспособность семян в течение десятков и даже сотен лет. Всхожесть семян проверяется через определенные промежутки времени (обычно каждые 5 лет) из образцов рабочей коллекции. При снижении всхожести получают новый образец, выращивая растения из сохранившихся семян, однако подобная регенерация коллекции – процесс длительный и дорогостоящий.

Современные хранилища генетических ресурсов растений, призванные обеспечить оптимальные условия для долговременного сохранения жизнеспособности семян являются, по сути, большими холодильными установками. Их содержание весьма затратно из-за больших расходов на электроэнергию, обслуживание холодильных установок и регулярные пересевы семян. Например, стоимость хранения около 1 млн образцов в хранилищах Национальной системы генетических ресурсов США (15 тыс. образцов – в жидком азоте, остальные – при –18 °С) составляет ежегодно около 100 млн долл. К тому же из-за относительно низкой сейсмостойкости этого комплекса имеется реальная угроза полной или частичной потери коллекции при воздействии экстремальных внешних факторов. Вот недавний печальный пример такого рода: из-за перебоев в электроснабжении, вызванных катастрофическим цунами, обрушившимся на побережье Японии весной 2011 г., там погибла почти половина коллекции банка семян.

К счастью, существует альтернатива – криохранилища, расположенные в толще многолетнемерзлых грунтов со стабильными температурами не выше –4 °С, которые обладают большой температурной инерционностью. Использование естественного холода для создания необходимых отрицательных температур совместно с системой оптимизации температурно-влажностных и газовых условий может обеспечить сверхдлительное (десятки и сотни лет) хранение семян без промежуточных пересевов. Таким способом можно в сотни раз снизить себестоимость хранения, а относительная автономия хранилища и независимость от перебоев в энергоснабжении позволят сохранить генофонд в условиях глобальных изменений климата, природных и техногенных катастроф.

Такие криохранилища оптимально размещать на севере зоны распространения сплошной и устойчивой мерзлоты. Этим требованиям отвечает, например, Северная и большая часть Центральной Якутии, где глубина вечномерзлых пород может достигать 1,5 км. Неудивительно, что предложение о создании в этом регионе криохранилища семян было выдвинуто еще в начале 1970-х гг. В.Н. Дохунаевым, сотрудником Якутского института биологии СО АН СССР (ныне – Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН).

В результате в 1977—1978 гг. в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО АН СССР (ныне – Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН), расположенной на глубине 12 м в толще многолетнемерзлых пород, стартовал совместный эксперимент якутских ученых по длительному хранению более 10 тыс. образцов семян бобовых культур из коллекции ВИРа. Позднее туда же было помещено около 1 тыс. сортообразцов семян сельскохозяйственных культур, интродуцированных в Якутии, а также редких и исчезающих видов местных дикоросов. Других прецедентов такого длительного криохранения только за счет естественного холода в мире нет (Соломонов и др., 1984; Мокроносов и др., 1994).

Промежуточные результаты эксперимента показали, что после 33-летнего хранения семена бобовых и злаковых культур сохраняют высокую всхожесть (на уровне 90—100 %) и хорошие морфологические характеристики, а уровень хромосомных нарушений не превышает 1—2 %. Исследования показали, что во время хранения в семенах значительно падают скорости синтеза белков и интенсивность клеточного деления на фоне возросшей активности антиоксидантной защитной системы и системы репарации (восстановления) ДНК. Это свидетельствует о физиологичности процессов, протекающих в семенах растений в условиях естественного холода при температурах около –6,0 °С (более того, при –18 °С уровень хромосомных нарушений увеличивается в 3—4 раза). Особенно хорошие показатели продемонстрировали семена, которые хранились в герметичной таре, заполненной углекислым газом, аргоном или азотом.

Если сравнить результаты эксперимента с показателями сохранности семян аналогичных сортообразцов из коллекции ВИРа, то оказывается, что хранение семян в стандартных условиях (рефрижераторных камерах) в течение 11—13 лет привело к снижению всхожести до 50—80 % при уровне хромосомных нарушений 6—28 %. При хранении же в течение 28—30 лет все семена стали нежизнеспособными.

В 2011 г. за счет средств бюджета Республики Саха (Якутия) была начата реконструкция заброшенной шахты № 2, расположенной на территории Института мерзлотоведения. В подземной выработке такого типа за счет рационального использования естественного холода может быть реализована эффективная технология управления температурно-влажностным режимом, что позволит поддерживать температуру в оптимальном диапазоне при соблюдении микробиологической чистоты. Эту подземную выработку в дальнейшем можно легко расширить.

Здесь будет размещена 1-я очередь Федерального криохранилища семян культурных, редких и исчезающих видов растений объемом более 100 тыс. сортообразцов, а в дальнейшем семенную коллекцию планируется увеличить в 6—7 раз. Предполагается, что площадь будущего криохранилища составит 1900 м². Сроки реализации проекта – 2013—2015 гг., ориентировочная стоимость – 180 млн руб.

В последние годы к идее создания международного криобанка семян в толще многолетней мерзлоты проявляют немалый интерес такие высокоразвитые страны, как Норвегия, Швеция, Япония и др. Так, в феврале 2008 г. в норвежском г. Свальбард на о. Шпицберген было запущено Всемирное хранилище семян с максимальной вместительностью 4,5 млн образцов. Это криохранилище в толще горы, которое еще называют Хранилищем Судного дня, расположено в сейсмически безопасной зоне на высоте 120 м над уровнем моря, что обеспечивает его безопасность даже в случае таяния полярных льдов. Здесь предполагается размещать резервные дубликаты коллекций других семенных банков: в марте 2010 г. здесь уже хранилось около полумиллиона образцов, и число их постоянно растет.

Вместе с тем следует отметить, что температуры многолетнемерзлых пород на Шпицбергене не опускаются ниже –3 °С, поэтому для достижения рекомендуемых международными экспертами отрицательных температур (–18 °С) используется энергоемкая рефрижераторная техника. Кроме того, судя по вышеприведенным результатам, для сохранения жизнеспособности и генетической целостности семян оптимальными являются температуры от –6 до –10 °С.

В заключение следует отметить, что наши знания о хранении семян достаточно ограничены, так как большинство исследований проведено на сельскохозяйственных растениях. Необходимо более тщательно изучить и вопросы оптимизации подготовки семян к длительному хранению в природных криогенных условиях, влияние газовой среды, а также решить задачи масштабирования технологии хранения семян в толще многолетнемерзлых пород, отработанные в лабораторных условиях.

Д. б. н. Б. М. Кершенгольц, к. б. н. П. А. Ремигайло, к. б. н. Е. С. Хлебный (Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, Якутск)

Литература

Мокроносов А. Т., Купцова Е. С., Попов А. С., Кузнецов В. В. Генетическая коллекция как способ сохранения биоресурсов планеты // Вестник РАН. 1994. Т. 64, № 11. С. 991—1001.

Кершенгольц Б. М., Иванов Б. И. Десяткин Р. В. и др. Использование естественного холода многолетнемерзлых пород для длительного хранения генетических ресурсов // Вестник ВОГиС. 2008. Т. 12, № 4. 524—533.

Соломонов Н. Г., Алексеев В. Г., Дохунаев В. Н. О путях использования вечной мерзлоты в решении народно-хозяйственных задач // Механизмы криоповреждений и криозащиты биологических объектов: Тез. докл. II Всесоюз. конф. Харьков, 1984. Т. 2. С. 83.