Климат меняется, погода выкидывает фортели, города разрастаются, и пригодной земли для полей становится все меньше. Продовольственная система по всему миру дает трещину. В ответ на это придумали вертикальные фермы — многоэтажные стеллажи в помещении, где растения растут под лампами. Идея отличная, но беда в том, что туда помещаются в основном листья салата. Помидоры, без которых мировая кухня — не мировая, растут куда хотят и во все стороны, для тесных этажерок они не годятся. Ученые решили: надо создать компактный томат, который не теряет в урожае и вкусе.

Подробности опубликованы в издании Plant Phenomics.

Исследователи из Университета Кенхи (Южная Корея) под руководством Дэ-Хьюна Джонга и Чун-Така Квона нашли способ. Они взяли под контроль гены SlGA20ox — это главные выключатели роста стебля в высоту. С помощью генного редактора CRISPR-Cas9 они «выключили» два таких гена (SlGA20ox2 и SlGA20ox4) у томатов, которые и так уже были тройными карликами. Получились помидоры с очень короткими междоузлиями — листья и кисти растут почти друг на друге. При этом цветы завязывались вовремя, фотосинтез работал отлично, а главное — плодов завязалось столько же, сколько с обычного куста, они выросли такого же размера, вовремя покраснели и набрали нормальный сахар. Все эти свойства сохранились и в теплице, и на вертикальной ферме.

Чтобы не измерять каждый кустик линейкой, ученые применили нейросеть. Они снимали свечение хлорофилла (по сути, дыхание растения) и превратили эти данные в объемную 3D-модель. Глубокая нейросеть с точностью 84% отличала генетически измененные растения от обычных. Это оказалось лучше, чем обычные методы анализа. Нейросеть даже заметила особые тонкости в механизмах защиты от яркого света — так называемом тушении флуоресценции, когда растение сбрасывает лишнюю энергию.

Хлорофилльная флуоресценция — это свечение, которое испускает зеленый пигмент хлорофилл, когда на него падает свет. Представьте, что лист — это солнечная батарейка. Часть энергии солнца батарейка превращает в электричество (химическую энергию для роста), часть рассеивает в виде тепла, а крошечную часть — переизлучает обратно в виде очень слабого красноватого света. Вот это переизлучение и есть флуоресценция. Измеряя ее яркость и скорость затухания, можно понять, насколько растение счастливо: не перегрелось ли, не голодает ли, не сломалась ли у него «батарейка». В данном исследовании ученые превратили эти сигналы в объемные 3D-фигуры, чтобы нейросеть по форме „дышалки“ листа безошибочно отличала карликовые помидоры от обычных.

Анализ стоимости технологии

Сам по себе CRISPR — метод недорогой в реактивах, но дорогой на старте: вам нужна хорошо оснащенная лаборатория и квалифицированные генетики. Вертикальная ферма и нейросеть тоже стоят денег. Однако корейские ученые не использовали уникальное сверхдорогое оборудование для съемки — подойдет любая камера для хлорофилльной флуоресценции. А нейросеть, один раз обученная, работает бесплатно. Так что для крупного агробизнеса или государственного селекционного центра это доступно. Для маленькой фермы — пока дорого.

Что было раньше

До этого уже существовали карликовые помидоры — например, сорта «балконное чудо». Но они часто мелкоплодные или малосладкие. Ученые уже пробовали ломать гены GA20ox у риса и ячменя, получая низкий рост. Для томатов работа тоже велась, но именно удержать урожайность и качество на уровне обычных крупных помидоров — это удалось впервые.

Этика и возможный вред

Генные редактирования CRISPR безопаснее, чем вставка чужеродных генов (как у ГМО): ученые просто выключили свои же гены растения. В помидоре не появилось ничего чужого. Вред для потребителей отсутствует. Но есть риск для экологии: если такие суперкомпактные помидоры случайно попадут в дикую природу и переопылятся с сородичами, теоретически они могут передать «ген низкорослости» диким видам. Для дикого томата это минус — он не сможет тянуться к солнцу. Однако вертикальные фермы обычно изолированы, и именно этот риск близок к нулю.

Когда технология станет доступной

Если какой-нибудь семенной концерн (например, Syngenta или Rijk Zwaan) купит лицензию или повторит метод — новые семена появятся в продаже через 3-5 лет. Сначала для профессионалов (вертикальные фермы), потом, возможно, и для рассады на подоконнике. Пощупать выращенный таким образом плод руками мы сможем примерно через 4-6 лет.

Сравнение с аналогами

Первый — классические индетерминантные помидоры (лианы под потолок). Их в вертикальную ферму не засунуть.

Второй — обычные детерминантные кусты (например, «Санька»). Они ниже, но все равно требуют подвязки и пасынкования, дают много зелени. У новых помидоров междоузлия в 2-3 раза короче, чем у обычных карликов.

Аналогов по системе оценки — нет. Другие исследователи использовали обычные линейки и весы, а не 3D-нейросеть по хлорофиллу. Так что корейцы тут первые.

Критика и главный подвох

Исследование проведено на одном генетическом фоне — «тройной детерминантный томат». Не факт, что те же самые генные поломки так же красиво сработают на любом другом сорте. Вдруг на популярном „Бифштексе“ снизится сахаристость или завязываемость?

Второй подвох: нейросеть дает 84% точности. Это хорошо, но не идеально. Шесть растений из ста она перепутает. Для селекции нормально, а для сортового контроля — брак. И главное: ученые проверяли только один параметр — высоту и урожай при идеальном свете. А если на вертикальной ферме сломается лампа или изменится спектр? Неизвестно, как поведут себя эти гены в стрессе. Авторы этот момент не проверяли.

Ранее ученые выяснили, как защитить томаты от жары.