Вызов отрасли
Хмель – многолетнее растение, размножаемое исключительно вегетативно. Для закладки современных плантаций требуются миллионы саженцев, генетически однородных и фитосанитарно чистых. После советских годов отрасль в России пришла в упадок: были утрачены промышленные плантации, прекратили работу специализированные питомники, остановилась селекция.
«Ситуация парадоксальная, – объясняет Ольга Мироненко. – С одной стороны, чтобы создать один гектар плантации, нужны миллионы рублей инвестиций. С другой – для этого нет агрономов-хмелеводов, нет разрешенного «пакета» пестицидов, не осталось комбайнов для уборки. Рынок зависит от импортного посадочного материала, который далеко не всегда адаптирован к нашим условиям».
Именно этот системный вызов несколько лет назад заставил крупного отраслевого игрока искать решение. Пивоваренная компания обратилась в несколько научных организаций с запросом на разработку эффективной технологии быстрого размножения ценных сортов хмеля. Успешным партнером стал Алтайский центр прикладной биотехнологии.
От экспланта до тысячи клонов
Технология клонального микроразмножения, которую алтайские биологи адаптировали и оптимизировали для хмеля, – это многоэтапный процесс, занимающий в общей сложности около года.
Работа начинается с экспланта – микроскопического фрагмента растения (почки или части междоузлия). Это может быть образец от селекционера, редкий сорт или дикорастущий хмель, найденный в экспедиции. Ключевая задача – добиться абсолютной стерильности. Центр разработал собственный метод стерилизации с использованием перекиси водорода, спирта и дистиллированной воды.
«Некоторые, особенно дикие, образцы бывают очень капризны. На их «приучение» к жизни в пробирке может уйти год, а иногда и два-три», – отмечает Ольга Мироненко.
Затем стерильный эксплант помещают на питательную желеобразную среду. Ее состав подбирается долгое время, поскольку это сбалансированная смесь макро- и микроэлементов (азот, фосфор, калий), витаминов, фитогормонов и сахарозы. В климатической камере с температурой 21-23 °C и регулируемым освещением растение начинает расти.
После адаптации и начала активного роста (через 4-5 месяцев) побег делят на микрочеренки, каждый из которых содержит узловую почку. Эти черенки рассаживают на свежую среду, где из каждого развивается новое, генетически идентичное растение. Цикл пересадки повторяется каждые 3-4 недели, что обеспечивает рост числа клонов.
Прорыв в контейнере
Классический лабораторный процесс основан на работе со стеклянной посудой – пробирками и колбами. Команда центра провела серию экспериментов и нашла эффективную альтернативу – специализированные пластиковые контейнеры.
«Мы испытали восемь разных типов, – рассказывает руководитель центра. – В итоге подобрали вариант, который герметично закрывается, выдерживает стерилизацию под давлением и при этом удобен для работы».
Это простое решение дало значительный экономический эффект: стоимость расходных материалов (тара и среда) снизилась в 9,5 раза. Энергоемкость процесса – в 2,6 раза, а трудозатраты – на 67%. Технические решения по оптимизации процесса уже оформлены как заявка на патент.
Растения, идеально чувствующие себя в стерильных условиях, не готовы к жизни в теплице или открытом грунте. Хмель необходимо постепенно приучить к меньшей влажности, колебаниям температуры и возможному присутствию микроорганизмов. Для адаптации растения помещают в теплицу, где для них создают щадящий микроклимат с нужной влажностью. В таких условиях их можно выращивать двумя основными способами: на питательном растворе без земли (гидропоника) или в особом, стерильном и рыхлом грунте (субстрате).
«Раньше мы пытались подращивать растения в пробирках до больших размеров, но оказалось, что компактные саженцы с 2-4 междоузлиями и корешками около сантиметра адаптируются лучше и быстрее», – поясняет ученый.
Не только саженцы
За пять лет работы лаборатория вышла на значимые производственные показатели. Если год назад здесь производили не более 2-3 тыс. растений в год, то в настоящем времени для промышленного партнера была подготовлена и отправлена партия в 35 тыс. оздоровленных саженцев.
Ценность работы центра измеряется не только в тысячах растений. Она создает системные предпосылки для возрождения отрасли.
В России сегодня практически нет селекции хмеля. Даже если селекционер получит уникальный сорт, это будет один куст. Традиционное черенкование позволяет получить с него 100-200 саженцев в год. Технология микроразмножения увеличивает этот показатель до 5-8 тыс., делая селекционную работу экономически рентабельной и значительно ускоряя путь от отбора формы до промышленной плантации.
Вирусы – серьезная проблема для многолетних насаждений хмеля. Все образцы в центре в обязательном порядке проверяют на наличие около двадцати опасных патогенов методом молекулярной биологии, который анализирует биоматериал.
«Мы поставляем на рынок не просто посадочный материал, а гарантированно оздоровленный», – подчеркивает биолог.
Проект построен по принципу кооперации. Лаборатория берет на себя научную и высокотехнологичную часть – от введения в культуру до массового микроразмножения. Промышленный партнер финансирует доработки, строит тепличные комплексы для адаптации и последующего доращивания. Готовая продукция в пластиковых контейнерах транспортируется из Барнаула, например, в Чувашию, где партнер создает собственную плантационную базу.
Наука как страховка
Параллельно с прикладными задачами коллектив ведет фундаментальные исследования, в том числе по гранту Российского научного фонда. Ученые организуют экспедиции по поиску и сбору дикорастущего хмеля на Алтае, в Сибири и на Кавказе. Дикие формы представляют ценность не только для пивоварения, но и для фармацевтики благодаря уникальному спектру биоактивных веществ.
Для сохранения коллекции генетического разнообразия в центре отрабатываются методы длительного хранения образцов в жидком азоте при температуре -196 °C. Также ведутся работы по созданию «искусственных семян» – капсулированных почек, способных храниться до года.
«Сейчас наша главная задача – отладить и масштабировать процесс, – резюмирует Ольга Мироненко. – Ключевое условие успеха – это команда, готовая решать комплексные задачи: от тонкой работы с лабораторным оборудованием до проведения молекулярной диагностики и участия в экспедициях».
Цикл от микроскопического экспланта до адаптированного саженца сегодня занимает около года. За это время в лаборатории АлтГУ не только размножают растения, но и восстанавливают технологическую цепочку, которая сможет восстановить хмелеводство в России.
