Сотрудники лаборатории криоконсервации генетических ресурсов Института биофизики клетки РАН и лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино) впервые получили целое жизнеспособное растение из тканей недозрелого плода, пролежавшего в сибирской вечной мерзлоте более 30 тыс. лет.
Материал для работы исследователи извлекли из норок берингийского суслика Urocitellus parryii, обнаруженных на правом берегу Колымы в нижнем ее течении, в лессовых отложениях вечной мерзлоты на глубине 20-40 м. Этот слой изобилует костями мамонтов, шерстистых носорогов, бизонов, лошадей, оленей и других представителей мамонтовой фауны. По данным радиоуглеродного анализа, суслики копали эти норки 28-32 тыс. лет назад, и в каждой устраивали склад зимних продовольственных запасов. В одном хранилище может быть 600—800 тыс. семян и плодов растений, причем в отличном состоянии. Ископаемая сусличья нора — идеальный криобанк. Когда зверьки рыли свои норки, тут была холодная степь и ледник неподалеку. Суслики устраивали камеры для хранения запасов как можно глубже, на тогдашней границе оттаивающего слоя и вечной мерзлоты, т.е. фактически на льду, благодаря чему плоды и семена скоро замерзали и не портились. Норы довольно быстро занесло пылью, которой всегда много вокруг ледников, они опускались все глубже и оказались в итоге в толще вечной мерзлоты, которая, судя по вертикальным клиньям льда, за прошедшие тысячелетия ни разу не оттаивала. (Оттаивающий слой в этих широтах составляет всего 40-70 см.) Температура в этом слое постоянная, -7°С, а окружающий лед связывает до 98% воды. В ископаемых норках царит сухой холод — идеальные условия для хранения семян. Ни одно животное не зарывается на такую глубину, вода туда не просачивается, и никакие семена извне не могут проникнуть. Так что берингийские суслики собрали и сохранили для нас уникальный биологический материал, за что им отдельное спасибо. Пущинские ученые обнаружили в толще мерзлоты около 70 сусличьих нор, набитых запасами, и постепенно разбирают их содержимое.
Естественные вечномерзлотные отложения предоставляют уникальную возможность исследовать дикие виды, жившие тысячи лет назад, и ученые, естественно, пытались получить растения из семян, найденных в ископаемых норках. Наиболее жизнеспособными оказались семена и ткани плодов смолевки узколистной Silene stenophylla, поэтому работать продолжили с ними. Смолевка узколистная — многолетнее травянистое растение. Семена у нее темные, маленькие, 0,6 на 0,8 мм, и хорошо переносят замораживание. Диаметр плодов — 2-4 мм. В норках часто встречаются семена и плоды смолевки, как зрелые, раскрытые, так и незрелые. После многих экспериментов ученые решили попробовать восстановить целое растение из плацентарной ткани незрелых плодов. Плацента у цветковых растений — место в завязи, к которому прикрепляются зародыши семян.
Несколько неповрежденных незрелых плодов взяли из норки, расположенной на глубине 38 метров. Их возраст — 31,800 ± 300 лет. Кусочки ткани плаценты помещали на специальную питательную среду, и из них развивались проростки. Когда у проростков появились корни, их пересадили с питательной среды в горшки с почвой и поставили в помещение с контролируемыми освещением и температурой. В горшках проростки превратились в нормальные смолевки, которые, как и положено многолетнему растению, на второй год благополучно отцвели и дали плоды и семена. Чтобы получить плоды, исследователям пришлось искусственно опылять S. stenophylla, поскольку у этих растений перекрестное опыление. С момента опыления до созревания семян прошло 8-9 недель. Все полученные семена проросли, и из них получились нормальные растения, внешне неотличимые от родителей.
В качестве контроля ученые в тех же условиях выращивали S. stenophylla из современных семян, собранных в том же регионе. Их проростки быстрее давали корни, а растения образовывали в 1,5-2 раза меньше почек, чем древние. Но самая существенная разница между древними и современными смолевками обнаружилась, когда пришла пора цветения. У цветков современных растений более широкие и расчлененные лепестки. Более того, все современные смолевки имеют только обоеполые цветки, а на древних сначала формируются женские цветки, а затем уже обоеполые. Ученые полагают, что S. stenophylla могут иметь генетические отличия, что еще предстоит проверить. Кроме того, современный климат не таков, как в позднем плейстоцене, и онтогенез растений в то время и сейчас происходил в разных экологических условиях, о чем и свидетельствует выраженный половой диморфизм древней смолевки.
Пока получить целое растение удалось только из плацентарной ткани неповрежденных незрелых плодов. Возможно, жизнеспособность плаценты можно объяснить тем,что она содержит большое количество сахаров и фенольных соединений, которые служат криопротекторами и способствуют сохранению ткани в вечной мерзлоте. Кроме того, незрелые ткани регенерируют лучше, чем зрелые.
Итак, пущинские ученые доказали, что в ненарушенной вечной мерзлоте жизнеспособная растительная ткань сохраняется десятки тысяч лет, после чего она может в подходящих условиях дифференцироваться и развиться в полноценное фертильное растение. В настоящее время S. stenophylla, регенерировавшие из ткани ископаемых плодов, — самые древние многоклеточные живые организмы. А вечная мерзлота представляет собой потенциальный источник генетического материала древних видов, возможно, уже исчезнувших с лица Земли, а также естественную лабораторию для изучения скорости микроэволюции и методов криоконсервации. Неудивительно, что исследователи обращают внимание на вечную мерзлоту, занимающую примерно пятую часть земной поверхности. Успех регенерации смолевки, пролежавшей в промерзшем грунте 30 тыс. лет, свидетельствует о высоком потенциале вечной мерзлоты как криоконсерватора. Помимо остатков высших растений она содержит зеленые водоросли, дрожжи и грибы, споры мхов, жгутиковые простейшие и амебы, микроорганизмы, остатки животных. Мы все жалуемся на холодный климат. А вечная мерзлота, оказывается, это такое богатство!
Наталья Резник
Svetlana Yashina, Stanislav Gubin, Stanislav Maksimovich, Alexandra Yashina, Edith Gakhova, and David Gilichinsky Regeneration of whole fertile plants from 30,000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost, Proceedings of the National Academy of Sciences, February 21, 2012, doi: 10.1073/pnas.1118386109