Генетике больше 160 лет – начиная с опытов Грегора Менделя, а геномике, полному секвенированию структуры ДНК, гораздо меньше. Она ведет свое начало с 1977 года, когда был прочитан первый геном бактериофага Ф-X179 (вируса бактерий). С тех пор исследованы геномы множества видов – в том числе в рамках легендарного «Генома человека» – проекта за несколько миллиардов долларов: работа над ним началась в 1990 году, основная часть генома (92%) была определена к 2003 году, а полностью расшифрована только в марте 2022-го, но работы продолжаются.
К виноградарству самые современные достижения генетики впервые были применены в 2007 году, когда мощнейшим международным консорциумом был расшифрован геном сорта пино нуар – кстати, лоза в целом оказалась первой плодовой культурой на этом поприще. Дальше в мире появились группы ученых, занимающихся вопросами генетики в виноградарстве: университеты Дэвиса, Монпелье, а два года назад – и Курчатовский институт. Герой интервью – Дмитрий Федосов, кандидат, на минуточку, филологических наук, когда-то давно загорелся идеей – разобраться с происхождением российских сортов раз и навсегда. Он уже было договорился о пересылке черенков в Дэвис в Калифорнию, но как раз в этот момент получил от президента НИЦ «Курчатовский институт» Михаила Валентиновича Ковальчука приглашение в российский геномный центр: «Давай-ка мы сами все сделаем».
Дмитрий Федосов. Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
Как же связан Курчатовский институт, основным направлением деятельности которого традиционно являлась атомная энергетика, с генетикой и виноградом? Еще в советское время, в эпоху лысенковщины и гонений на генетику – ее сравнивали с метафизикой, осуждали само учение о наследственности и вообще называли буржуазной наукой – именно в «Курчатнике» она была спасена от репрессий. С тех пор генетическая база тут хорошая и осталась, и вокруг Курчатовского решили объединять другие генетические институты. В 2009-м здесь был секвенирован первый в России и восьмой в мире геном человека. А в 2019 году возникла Федеральная научно-техническая программа развития генетических технологий, и головной организацией был определен Курчатовский институт. С тех пор тут существуют три геномных центра: по биобезопасности, по медицине и по всему, что связано с сельским хозяйством и промышленной микробиологией. К третьему направлению как раз и относится лаборатория Дмитрия Юрьевича.
И пусть лаборатории всего два с половиной года, работа кипит: в швейцарском журнале Plants издательства MDPI, очень престижном научном издании с высокой цитируемостью, вышла первая статья о российских сортах, а в этом году на подходе уже вторая.
О чтении генома по буквам
Для генетического определения сорта винограда и последовательности его уникального генома собирают образцы лозы. Можно прорастить черенки в лаборатории. Для выделения ДНК из растительных клеток лучше всего подходят молодые листочки: в них много клеток, а значит, много ядер, содержащих хромосомы, и молодая тонкая клеточная стенка, которую легко удалить. Для разрушения такого листа используют низкие температуры и, например, механическое воздействие стерильным песком. После того как клеточные оболочки разрушены, а тонкая мембрана клетки лизирована (растворена) химическим путем, ДНК клетки надо отделить от белков-гистонов, которые не дадут провести никакие манипуляции с ДНК, физически загораживая ее от связей с нужными ферментами – полимеразами. Проведя депротеинизацию, ДНК «моют» спиртами, и двуцепочечная молекула, состоящая из множества пар нуклеотидов, готова для прочтения.
Генетический код состоит из сочетания четырех нуклеотидов: аденина (А), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). Код из трех букв составляет триплет и кодирует одну из 21 аминокислоты. Геном винограда состоит из примерно 500 миллионов «букв», человеческий – из 3 миллиардов.
Если молекулу ДНК из одной клетки человека «растянуть» в длину, она достигает целых двух метров – но ее не увидишь глазом, она тонкая и полупрозрачная.
Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
Возможности прочтения прибором последовательности генетического кода ограничены работой ферментов: после 800-1000 нуклеотидов фермент начинает делать ошибки и анализ будет недостоверен. Поэтому в одном из современных вариантов ДНК разрезают на фрагменты, к каждому присоединяют маркер (бирку). По результатам прочтения (секвенирования) получают уникальный для каждого сорта генетический код. Он-то и является самым достоверным паспортом живого организма, хранящим информацию не только о принадлежности к тому или иному виду, но и об уникальных свойствах его обладателя.
У разных сортов винограда геномы достаточно сильно отличаются. Даже шардоне и пино нуар разнятся в количестве расшифрованных последовательностей примерно на 15%, при том что шардоне – прямой потомок пино нуара. Да и в целом наше понимание того, как это все работает, далеко от истины. Взять, к примеру, пино нуар и пино менье. Согласно западным коллегам, их отличие – только в одном гене, отвечающем за опушение листа. Но наличие этого гена у пино менье глобально меняет его фенотип: получается принципиально другой сорт, с другой гроздью, ягодой, другим качеством продукции. Нуар считается благородным сортом, а менье, по-честному, – так себе. А пино нуар мутирует – сам, спонтанно. Из него периодически получается пино менье.
Руководитель нашего геномного центра Максим Патрушев правильно говорит: «Мы как шестилетний ребенок, которого научили читать и дали ему Достоевского». Он прочитать может, по слогам, а что там написано, не понимает. Это реально так, очень хорошее сравнение. И не только про российских генетиков, а про вообще мировых. Склеить текст «Преступления и наказания», разрезанный на группы по 100 букв, – та еще задача. Мы научились и секвенировать, и собирать: эту работу ведет Кристина Петрова, вероятно, единственный в стране генетик, имеющий дипломы сомелье. Сейчас в Школе вина «Энотрия» получает очередной. А еще наша биоинформатика на коне. Алексей Корженков собрал все геномы винограда, имеющиеся в мировом доступе. Разработали специальный алгоритм ускоренного генотипирования по 527 полиморфизмам генома. В итоге в базе уже больше 1300 генетических профилей сортов винограда, из них 230 – те, что описаны нашей лабораторией. В их числе уже 82 российских автохтона из 141, что были описаны в литературе за XIX и XX века.
Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
О результатах работы лаборатории за два с половиной года
Одним из важных итогов я считаю опубликованную недавно генеалогию сортов Дона: в ней недостает 3-4 сортов, но в целом мозаика сложилась. Начали работы осенью 2020 года, очень помог тогда старожил донского виноградарства Николай Петрович Лукьянов из Цимлянска. Человек, который в 1982 году получил официальное право на первый частный виноградник в СССР. Этой осенью Петровича не стало. Спасибо ему! У всех на слуху всего несколько донских автохтонов, а по факту их гораздо больше. У многих говорящие названия: бургундский, целых три шампанчика – шампанчик цимлянский, шампанчик константиновский и бессергеневский.
С XIX века о многих сортах тянется поверье, что их привезли к нам из стран чужедальних – казаки из походов во Францию, Германию и т. д. Должно быть, сочиняли байки, чтобы вино лучше сбыть: казаки, например, продавали много вина на Нижегородской ярмарке. И вот, скажем, привез казак сорт «старый горюн» – не берут, а назвал «шампанчик» – мол, из Шампани предки привезли, – берут. Это моя личная версия, но генетический вердикт един: мы выяснили совершенно однозначно, что сорта эти не привозные. Методы молекулярной генетики точны, и здесь использовались не только связи «родитель – потомок», но и популяционный анализ: как у людей по народам, расам. В итоге выяснено, что все наши изученные донские сорта только частично имеют корни на Северном Кавказе, в Дагестане, из восточной Грузии и Азербайджана – в остальном мы сами по себе, отдельный наш кластер, не связанный с западноевропейским.
С XIX века о многих сортах тянется поверье, что их привезли к нам из стран чужедальних – казаки из походов во Францию, Германию и так далее. Должно быть, сочиняли байки, чтобы вино лучше сбыть.
О значении доказательства автономности наших автохтонов
Что мы доказали? – У нас своя популяция винограда была и есть, и это поднимает статус российского виноделия. И пусть оно тысячу лет назад было не таким, как в Бургундии, но виноград-то был здесь свой. Я думаю, политический аспект в этом есть. Очень интересно в итоге восстановить все эти связи между народами нашего юга – как они взаимодействовали, почему этот виноград тут кочевал, что они из него делали в итоге. Лозунг «Россия – родина Vitis vinifera», конечно, устоится вряд ли, а вот тот факт, что здесь свой многолетний, тысячелетний кластер, со времен Хазарии – это прикольно.
С Западом связь только одна – единственный сорт, который казак Пухляков, согласно легенде, «привез откуда-то из Венгрии» (а мы выяснили, что из Румынии), – это коарнэ альба, и у нас его назвали пухляковским. Собрата, коарнэ нягрэ, тоже нашли. На Дону он зовется молдавским.
Благодаря пухляковскому, кстати, мы получили интересное свидетельство того, что в XIX веке в станицах кто-то уже намеренно проводил селекцию. У него аж девять потомков, и все от скрещиваний с сортом буланый. Вот кто-то скрещивал буланого с пухляковским, и получились белый буланый, косоротовский, а также небезызвестный сейчас сибирьковый. Мы даже догадываемся, кто, потому что в хуторе Пухляковском были училище виноградарства и погреб Донского войска. Не может так быть, чтобы случайно девять опылений, девять сортов получилось. Эти сорта – единственное внесение из западноевропейской популяции.
Рисунок Виктории Черникович (студия научной графики AvisRubrum) для статьи «Генофонд сортов винограда Долины Дона» Петрова К. О., Федосов Д. Ю. и др. в журнале «Российские нанотехнологии», том 17, № 5, 2022
Об эпохе культурного винограда с точки зрения генетики
Про одомашнивание винограда есть интересная версия в Grape Genome Book, вышедшей в 2019 году, согласно которой подвиды Vitis vinifera, культурный ssp. vinifera и дикий ssp. sylvestris, отделились от общего предка порядка 22-26 тыс. лет назад – то есть одним из первых одомашненных человеком растений, наравне с пшеницей, был виноград. Еще Вавилов считал, что виноград распространился по Европе из Закавказья: где-то между Турцией и Ираном люди начали ухаживать за лозой – рядом со знаменитым «плодородным полумесяцем», откуда началась культивация пшеницы. И всю историю человек живет рядом с лозой и злаком – вино и хлеб.
За эти тысячи лет виноград проделал грандиозное путешествие. Согласно исследованию Кристины Маргарян с группой итальянских и немецких ученых, было два пути винограда с родины, Закавказья, в Западную Европу. Первый шел через Переднюю Азию: Турцию, Израиль и оттуда в Грецию. Второй – через Северное Причерноморье, Северный Кавказ, Дон и дальше – Румыния, Венгрия и Северная Европа. Где-то там эти два пути сошлись, и возникли западноевропейские сорта.
В средневековой Европе было два термина – с точки зрения генетики они сейчас малосостоятельны, но достаточно красиво показывают глубинные представления европейцев о своем винограде: «франкская» и «гуннская» группы сортов. Франкские считались благородными – это рислинг и вот это вот все, а гуннские – всякий ширпотреб, типа гуэ блана, который впоследствии оказался предком всех рислингов на свете, совиньонов и мюскаде, который рос у всех крестьян. В Европе считалось, что гуннская группа пришла с Великим переселением народов – как раз со стороны Восточной Европы и севера Причерноморья. А франкские, дескать, – это наши, римские. Оказалось, что франкские происходят от гуннских. Наши европейские коллеги это показали – что гуэ блан, он же Weißer Heunisch, – белый гуннский, это предок рислинга, совиньона, шардоне, пино нуара. Сам сорт – никакой, зато у него 70 весьма успешных потомков.
Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
О практической пользе геномных исследований для отрасли
Во-первых, это все – наша история. Здесь мы сразу же входим в маркетинг. Мы показали, что наш красностоп – это не что-то завезенное и переименованное, а наш уникальный сорт. Во-вторых, его уникальность – не просто слова. Наши сорта веками приспосабливались к тому, чтобы выживать именно в наших условиях – к нашим метелям, засухам. С красностопом есть пример: один мой товарищ высаживал в Осетии, на высоте свыше тысячи метров над уровнем моря, в ущелье, несколько сортов: первыми у него погибли европейцы, затем саперави, а красностоп до сих пор живой. То есть он морозостойкий, приспособлен к высокогорью. Но зато он уязвим для болезней, особенно грибковых. Они по большей части завезены из Америки и в первую очередь поселились в Европе – вот и получилось, что западноевропейские сорта больше к ним устойчивы, потому что дольше с ними сожительствуют.
Все эти знания могут дать основу для современной осознанной селекции. Это не значит, что всем срочно нужно перейти на красностоп, но теоретически можно от условного пино нуара взять один блок генов, от красностопа другой, и получить идеальный для наших условий сорт. Хотя я и не большой сторонник такого подхода, мне кажется, что, когда за сортом стоит история, гораздо интересней с ним работать, но для селекции как науки это незаменимая вещь. Мы сейчас активно изучаем дикий виноград, нами описано уже больше 80 дикорастущих форм по донскому, кубанскому и крымскому кластерам. Весь этот генофонд, безусловно, представляет ценность для селекционеров.
Даже в советской виноградной селекции есть примеры достаточно удачных сортов. Я, например, люблю рубин, подарок магарача, цитронный магарача – это все такие легкие, ароматные сорта, особенно цитронный. Левокумский устойчивый тоже интересный – его, дескать, нашли 30 лет назад в районе поражения филлоксерой, один куст – и абсолютно здоровый. Он очень плодовитый, поэтому в последнее время его в основном на дистилляты используют, но в хозяйстве «Кубань-Вино» его и розовым делали. Людям нужны массовые вина отечественного производства за 200-300 рублей. Они имеют право быть и должны делаться из устойчивых сортов-гибридов. Кстати, прикольные игристые можно было бы делать из наших и немецких гибридов вроде соляриса, кристалла.
Для меня пример – США. Там в каждом штате есть виноградники и вино, даже на Аляске и на Гавайях. И мы должны к этому стремиться. Если хотят люди делать вино в Новосибирске – пусть делают, не надо над ними смеяться. Или вот у человека дом, он посадил в Раменском 3 га подарка магарача – отлично же. К нему поедут люди на экскурсию, если он сделает что-то приличное. Какой-нибудь дистиллят, сыр еще, агротуризм – и хипстеры будут толпами из Москвы ездить. Или есть организованный в 2015 году Московский клуб виноградарей, который возглавляет Николай Сидорцов. У них там, конечно, пока уровень скорее дачников – но люди энергичные, проводят собрания в Аптекарском огороде, осенью обычно бывает выставка. Виноград у них часто столовый, но в 2021 году была и дегустация вин, в том числе игристых, из Подмосковья. На озере Селигер есть виноградник при монастыре – самый северный промышленный виноградник в мире. В Белгороде в ботаническом саду специально для микровинификаций высажено 2 га винограда. В Приморье тоже есть промышленное виноделие – там все, конечно, на V. amurensis’е, и на чистом, и на гибридах. И это все мы, кстати, тоже будем генотипировать.
Когда мы говорим про автохтоны, почему-то подразумеваем только V. vinifera. А как же амурский? Тоже же российский автохтон. А там ведь поле непаханое: никто никогда ничего не описывал, никаких сортов, даже названий нет! На нашей плодородной южной полосе (Черноморье, Крым, Дон, Кавказ) можно высадить до 300 тыс. га. А если люди хотят в Подмосковье, под Новосибирском, в Приморье? Там только гибриды выживут. И их людям нужно дать.
Электрофорез ДНК в агарозном геле. Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
А филлоксероустойчивые подвои? Почему мы постоянно копируем кобер 5BB и прочие SO-4? Почему бы не взять и не сделать подвой из условного подарка магарача? Он уже есть укорененный, и мы четко знаем, как он растет, есть лозы, которым по 40 лет. Будем и в эту сторону думать.
Дальше, вот мы на Дону, можно сказать, переоткрыли 42 сорта. А в работе на предприятиях из них только семь: красностоп золотовский, цимлянский черный, плечистик, пухляковский, сибирьковый, кумшацкий белый, иногда варюшкин. Они все реально неплохие, а в Крыму вот кокур и сары пандас очень крутые. Мне кажется, кокур – это наш ответ рислингу. Он дает и сладкое, и крепленое, и игристое, и сухое, и все из него получается хорошо. Осталось только научиться делать вино так, чтобы оно по 10 лет могло жить. Пухляковский, я считаю, также сильно недооценен. Кумшацкий белый дает насыщенное, ароматное, тропическое белое вино, чем-то похожее на вионье. А про кумшацкий черный мы еще мало знаем, кроме того, что он есть и что у него есть генотип.
Но в этой же донской семье еще целых 35 сортов, которые никак не используются. Слава богу, что нашлись люди, которые заботливо сохранили их у себя в коллекциях. А ведь может быть, какой-то из этих сортов сумеет дать вино, которое заткнет за пояс красностоп с кокуром. Но по одному генотипу этого не скажешь, нужно выращивать и делать микровинификации.
У «родителя» красностопа, плечистика, есть еще отпрыск – старый горюн. Он сохранился по паре-тройке лоз в коллекциях НИИ «Магарач» и НИИ Новочеркасск. По фенотипу он близок к красностопу. Хочется сказать виноделам: высадите 50 кустов этого несчастного горюна ради любопытства, найдем, откуда взять. В этом году хотим наладить свою микроклональную лабораторию, чтобы в пробирках размножать такие вот сорта, которые сохранились в виде пары кустов. Не дай бог в этот «Магарач» метеорит попадет – и не останется у нас горюна совсем никакого.
Я даже знаю примеры такого микровиноделия – на Кубани, в станице Динской возник кластер микровиноделов, их идейный лидер – Сергей Дубинин. Они взяли сорт качич из Абхазии и в четырех хозяйствах вокруг Динской его уже высадили. Говорят, не хотим каберне, не хотим мерло, хотим наш автохтон, который наш терруар покажет.
Плохи ли ГМО?
На сегодняшний день законом РФ установлен запрет на ввоз, посев (посадку) семян (рассады) растений, а также на выращивание и разведение растений и животных, генетическая программа которых была изменена с использованием методов генной инженерии. Проще говоря – ГМО в сфере сельского хозяйства в России запрещены к промышленному применению, исключение сделано только для проведения экспертиз и научно-исследовательских работ. Закон этот достаточно стар, 1996 года. При этом мы импортируем и потребляем огромное количество продуктов, созданных с использованием ГМО, всякие сосиски и прочее с ГМ-соей, – просто нет методов для проверки. Закон по большей части популистский, он к выборам Ельцина был подготовлен. Сейчас его потихоньку пытаются поменять, ввести понятие «генно-инженерно редактированный организм» – ГИРО. Отличие от ГМО в том, что ГМО – это все что угодно: условно – ген кролика взяли, внесли в виноград. А для ГИРО более сжатые рамки: это генетическая инженерия в пределах одного вида, работа с разными сортами винограда или внутри одного сорта.
Такое редактирование уже вовсю используют в виноградарстве в Европе. Например, в Северной Италии есть генно-инженерные работы, посвященные зимо- и засухоустойчивости на основе сорта шардоне с применением метода CRISPR-Cas. Взяли гены от зимостойкого сорта и внесли в незимостойкий. У них там, правда, дискуссия по этому поводу – как назвать этот сорт теперь. Он ведь уже не шардоне. Наши бы сказали – будет шардоне северный или шардоне зимостойкий, а у них – полемика. На самом деле все это правда очень нужно, учитывая перемены климата и необходимость осваивать новые зоны для виноградарства.
Экстрагирование ДНК. Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
Основная претензия к ГМО, как я понимаю, выглядит так: неизвестно, как на организм человека могут влиять измененные ДНК продуктов. Могут ли они снижать иммунитет, нарушать обмен веществ, вызывать аллергии? Но ДНК, какая бы она ни была, измененная или нет, из пищеварительного тракта в организм человека попасть не сможет. В желудке она не сохранит целостность никак – в этом суть пищеварения и состоит. И в вине, кстати, ДНК самого сорта винограда целыми молекулами не присутствует.
О дрожжах для автохтонов
Помимо описания сортов и составления полного «Геномно-географического атласа автохтонных сортов винограда России», который мы планируем выпустить в 2024 году, занимаемся мы и дрожжами – ведь для того, чтобы полностью раскрыть потенциал наших сортов, нам нужны еще и наши дрожжи. В экспедициях мы собираем не только образцы лоз: вместе с ними приезжают и микроорганизмы, живущие на ягодах, в почве. Вот, например, наша сотрудница Аделина Колосова в прошлом году из Крыма привезла много образцов с одичалых посадок алиготе, каберне, кокура, и мы из них выделили 48 штаммов дрожжей и успели их опробовать. У нас вышло два кандидата на коммерческие штаммы, которые при винификации дают хорошую органолептику, красивую химию. Вообще-то мы получили семь штаммов – но есть же еще технологические требования, например, устойчивость к сушке, низким температурам, сере. Сухие дрожжи не идеальны, но развязывают руки виноделу: не держать в штате микробиолога с огромным чаном, в котором живет перед сезоном биомасса дрожжей, а взять брикетик сухих, развел – и готово.
Этой осенью мы запустили несколько экспедиций в поисках потенциальных дрожжевых штаммов: Крым, Дон, Кубань, Ставрополье, Астрахань.
Со штаммами для кокура мы начали проект с «Массандрой». Испытывали мы их в прошлом году прямо у нас в лаборатории, в микроемкостях. Очень круто вышло! Наши дрожжи сильно раскрывают ароматический потенциал кокура, появляются тропические фрукты, манго. В этом году продолжим опыты в объемах побольше и на разных штаммах, задействуем уже мощности «Массандры». В России достаточно остро стоит проблема с винными дрожжами. Но и дрожжи, и в целом инфраструктура отрасли должны сложиться.
Фото: © Пресс-служба Курчатовского института
У нас уже возведена база с виноградниками и винодельнями, теперь все это будет обрастать технологиями: дрожжами, бутылками, емкостями, пробками в конце концов. Мы взаимодействуем со множеством структур, от НИИ до производств, есть очень интересная идея по изучению транскриптома винограда, его РНК. Это такая штука, которая занимается синтезом белков в клетке, используя ДНК как «чертеж». Теоретически можно будет попытаться контролировать цикл вегетации винограда – заставить его чуть позже начать цвести, давать плоды. Мы тогда сможем проскочить и весенние заморозки, которые могут побить все цветки, и августовскую жару и засуху, когда сахар не накапливается и ничего не зреет. Очень хорошие вещи последние года два в науке происходят. Объединяется сообщество.
Уже возведена база с виноградниками и винодельнями, теперь все это будет обрастать технологиями: дрожжами, бутылками, емкостями, пробками наконец.
Напутствие виноделам
Хотел бы попросить наших виноделов быть внимательнее к тому, как развивается наша отрасль. Многое в ваших руках: надо делать коллекции автохтонов, перспективных гибридов, организовать с учеными выделение собственных штаммов дрожжей. «Смотрите на жизнь без очков и шор, глазами жадными цапайте все то, что у вашей земли хорошо и что хорошо на Западе». С клоном пино нуара, выведенного для Новой Зеландии, на французских дрожжах из Шампани да по бургундским учебникам великого вина у нас точно не сделать. Пример этого года: на севере, на Дону, уборку всего винограда закончили тогда, когда на юге, в Крыму, только подступали к белым сортам. Никакие рецепты, кроме российских, тут не работают, впрочем, как в любой развитой винодельческой стране. На смену эпохе заезжих консультантов приходит эпоха институтов: и это тоже нормальный и закономерный процесс. Надеюсь, Курчатовский институт, ставший головной организацией в рамках консорциума с тремя ведущими виноградарскими институтами юга, этот процесс подтолкнет.
Материал впервые был опубликован в Simple Wine News №152.
Фото на обложке: © Пресс-служба Курчатовского института.