Японская табачная монополия однажды построила бак на 15 тонн, чтобы растить табак без поля и без листьев. В баке 66 дней размножались отдельные табачные клетки - их собирались подмешивать к листу как сырье с пониженным содержанием никотина. От затеи отказались, потому что от продукта никак не удавалось убрать странный «белковый» запах. А клетки, выведенные для этого бака, разошлись по лабораториям мира. Это лишь одна из историй о том, как табак попадал в науку не по плану.
На табаке получили первый научный гибрид растений, нашли первый вирус, открыли, что цветение зависит от длины дня, и вырастили первые трансгенные растения. У многих из этих открытий причина общая - табак был доходной культурой, его болезни и странности изучали агрономы, и находка на плантации становилась открытием. Позже выяснилось, что с табаком просто удобно работать - его ткань охотно растет на питательной среде, клетки быстро делятся, а дикий австралийский родственник почти беззащитен перед вирусами.
С чего начался табак в науке - первый гибрид
В 1760 году немецкий ботаник Йозеф Готлиб Кельрейтер, сотрудник Петербургской академии наук, перенес пыльцу одного вида табака на цветки другого. Он скрестил табак метельчатый, Nicotiana paniculata, с махоркой, Nicotiana rustica, и получил первый гибрид растений, выведенный в научном опыте. Около двадцати гибридов дожили до зрелости, и все оказались бесплодными.
Отчет о работе вышел в 1761 году, а к 1766-му Кельрейтер выпустил к нему три продолжения и описал в них 136 опытов скрещивания.
Пятнистые листья, с которых началась вирусология
Агрохимик Адольф Майер в 1886 году описал болезнь, от которой листья табака покрываются пестрыми пятнами, и назвал ее мозаичной. Он показал, что сок больного растения заражает здоровое. Дмитрий Ивановский еще студентом изучал болезни табака на плантациях Бессарабии и в Никитском ботаническом саду. В 1892 году он доложил в Академии наук, что заразное начало проходит сквозь фарфоровый фильтр Шамберлана, который задерживает бактерии. Через шесть лет голландец Мартинус Бейеринк назвал возбудителя «живой заразной жидкостью». А в 1935 году американец Уэнделл Стэнли выделил его в виде кристаллов белка. В 1946 году Стэнли получил за эту работу часть Нобелевской премии по химии.
Так возбудитель болезни табачного листа стал первым известным вирусом, а сам табак - первым растением вирусологов.
Сорт, который отказывался цвести летом
Уайтман Гарнер и Гарри Аллард из Министерства сельского хозяйства США изучали табак сорта Maryland Mammoth. Летом в поле этот сорт рос, но не зацветал. Зимой в теплице он вел себя иначе - по словам исследователей, «цвел охотно и становился практически непрерывно цветущим».
Гарнер и Аллард стали подсвечивать растения лампами зимой и закрывать их от солнца летом. Выяснилось, что цветение включает длина дня, точнее, соотношение дня и ночи. Тот же эффект они нашли у сои сорта Biloxi. Для этого явления ученые в статье 1920 года предложили слово «фотопериодизм», которым ботаники и агрономы пользуются до сих пор. Привычное агрономам деление на растения короткого и длинного дня тоже началось с табака Maryland Mammoth.
Почти полтонны листьев ради питательной среды
Аспирант Тосио Мурасиге растил в лаборатории Фолке Скуга кусочки табачной ткани на питательной среде. Мурасиге предполагал, что в листьях табака есть еще не открытый гормон роста, и решил его выделить. Позже он вспоминал, что вместе с коллегами собрал в поле больше тысячи фунтов листьев, около 450 кг. Листья упаковали в большие пакеты для индеек, сложили в арендованную холодильную камеру для продуктов и смололи старой мясорубкой. Из 150 галлонов экстракта получилось пять галлонов темно-коричневого сиропа.
Гормона в нем не оказалось. Большую часть эффекта давала минеральная часть экстракта, то есть соли. Тогда Мурасиге и Скуг переписали состав самой среды, и месячный урожай табачной ткани в одной культуре вырос с 5 до 125 г. Статью 1962 года уже к 1977 году процитировали больше тысячи раз. Среда Мурасиге - Скуга с тех пор стала основой культуры тканей растений, на ней растят и клетки BY-2.
Табак - первое трансгенное растение
В 1983 году о первых генетически модифицированных растениях сообщили сразу несколько групп ученых, и первым таким растением стал табак. В январе того года на научном конгрессе во Флориде трансгенный табак показала группа Марка Ван Монтегю и Джеффа Шелла из Гентского университета. Чужой ген в клетки табака доставила почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens. В природе эта бактерия встраивает свои гены в ДНК растения, и его клетки начинают безудержно делиться - так появляется опухоль. Бельгийские ученые заменили опухолевые гены нужными, и агробактерия стала переносчиком генов.
Первым трансгенным растением, которое стали выращивать на продажу, тоже стал табак - в начале 1990-х в Китае начали сеять трансгенный табак, устойчивый к вирусам.
Клетки BY-2 - несостоявшееся сырье для сигарет
Клетки из японского бака происходят от сорта Bright Yellow 2. Первым культуру этих клеток вырастил сотрудник табачной монополии Нобумаро Кавасима, а первые статьи о клетках BY-2 вышли в 1972 году. Промышленный проект закрыли, но линия осталась в научных лабораториях.
Ценят BY-2 за скорость. За неделю между пересевами масса клеток в колбе вырастает до ста раз. Клетки легко заставить делиться одновременно, и на них удобно изучать, как растительная клетка готовится к делению и делится.
Японский биолог Тосиюки Нагата с коллегами в 1992 году назвал BY-2 клетками HeLa для высших растений. HeLa - самая известная линия человеческих клеток, ее с 1950-х годов выращивают в лабораториях всего мира.
Дикий табак из австралийской пустыни
Вирусологи и биотехнологи сегодня чаще всего выбирают не обычный табак, а его австралийского родственника Nicotiana benthamiana. Ботаник Джон Клиланд собрал его в 1936 году у гранитных скал на Северной территории Австралии. В 1939 году он отправил семена ботанику Томасу Гудспиду в Калифорнийский университет в Беркли. Этот вид впервые описали в 1945 году как растение, которое заражается вирусом табачной мозаики.
Исследование 2022 года проследило лабораторную линию до тех самых скал. Жившие там аборигены варлпири жевали листья этого табака, обваляв их в золе, - такую жвачку называют питури.
Лаборатории ценят N. benthamiana за несколько свойств:
- из-за поломки гена Rdr1 у нее почти нет защиты от вирусов, и на ней удобно размножать и изучать растительные вирусы;
- та же мутация выручает растение в пустыне - оно быстро вырастает и успевает дать семена до засухи, и в таком виде растение существует в природе около 750 тысяч лет;
- листья легко пропитать раствором агробактерий с нужным геном, и они начинают сами производить чужой белок.
Последнее свойство превратило дикий табак в фабрику лекарств. Американская компания Kentucky BioProcessing, которая тогда принадлежала табачной корпорации Reynolds American, в 2014 году производила в листьях N. benthamiana антитела ZMapp против лихорадки Эбола. Представитель компании объяснял, что от заражения растения до извлечения белка проходит около недели.
Профессор Технологического университета Квинсленда Питер Уотерхаус назвал N. benthamiana «лабораторной крысой» молекулярной биологии растений.
А 24 февраля 2022 года в Канаде одобрили вакцину Covifenz против COVID-19. Ее основу составляли частицы, похожие на вирус, и собирались они прямо в листьях N. benthamiana. Табак, который в лаборатории ценят как раз за беззащитность перед вирусами, стал выращивать белок для вакцины, которая защищает от вируса людей.
