Учебно-научная лаборатория биотехнологии и репродуктивной биологии была открыта на биологическом факультете 1 февраля 2019 года в результате реорганизации отдела генетики и репродуктивной биологии Ботанического сада СГУ имени Н.Г. Чернышевского, становление которого началось еще в середине прошлого века и деятельность которого способствовала зарождению и развитию саратовской научной школы по проблемам биологии и генетики систем репродукции растений. Основоположником этой научной школы стал доктор биологических наук Сергей Спиридонович Хохлов (1910–1974) – заведующий кафедрой генетики и дарвинизма СГУ с 1949 по 1974 г. Круг его научных интересов был чрезвычайно широк, но особое внимание он уделял апомиксису – способу размножения растений, при котором семена образуются без оплодотворения. Начиная с середины 1950-х гг., он неоднократно ставил перед руководством университета вопрос об организации проблемной лаборатории. Эту идею удалось реализовать только в 1958 г., когда было принято решение о создании на базе кафедры генетики и дарвинизма СГУ лаборатории радиационной и экспериментальной генетики. В 1969 г. лаборатория была передана в состав Ботанического сада СГУ для укрепления его научного потенциала и присвоения ему статуса научного учреждения (Приказ №90 Минвуза РСФСР от 03.03.1969 г.). Впоследствии лаборатория радиационной и экспериментальной генетики, не раз менявшая своё название и статус, была преобразована в отдел генетики и репродуктивной биологии Ботанического сада СГУ, а затем в лабораторию биотехнологии и репродуктивной биологии. Несмотря на проведенные реорганизации, кафедра генетики и лаборатория всегда существовали как единый научный коллектив. К проводимым научным исследованиям активно привлекались студенты и аспиранты биологического факультета.

Под руководством С.С. Хохлова, а затем его ученика и преемника В.С.Тырнова саратовская научная школа одновременно разрабатывала несколько фундаментальных и прикладных научных направлений: 1) популяционно-эмбриологические исследования апомиксиса у покрытосеменных растений (С.С. Хохлов, М.И. Зайцева, П.Г. Куприянов, Н.А. Шишкинская и др.); 2) изучение теоретических и прикладных вопросов гаплоидии (В.С. Тырнов, А.Н. Завалишина, Л.С. Звержанская, Н.Х. Еналеева и др.); 3) использование технологий культуры in vitro для исследования систем репродукции растений и разработки новых методов селекции (В.М. Суханов, Н.Д. Папазян и др.).

Популяционно-эмбриологические исследования апомиксиса у покрытосеменных. Ещё в начале 1960-х гг. С.С. Хохловым была выдвинута идея об организации постоянных научных экспедиций в разные регионы СССР для выявления апомиктично размножающихся покрытосеменных растений. Проведение таких широкомасштабных работ было необходимо для решения вопросов эволюционной значимости апомиксиса, его распространения во флоре, закономерностях проявления апомиксиса на эмбриологическом уровне, создания базы данных о потенциальных донорах генетических факторов апомиксиса. Начиная с 1968 г., сотрудниками кафедры и лаборатории были обследованы флоры различных областей СССР от Карпат до Камчатки, от Кавказа и Средней Азии до Приполярного Урала. Собран обширный гербарный и эмбриологический материал, изучение которого потребовало разработки новых экспресс-методов для быстрого и качественного анализа. Так, был предложен антморфологический метод исследования флоры на апомиксис, использование которого дало возможность сделать выводы о степени и закономерностях распространения видов с дефектной пыльцой (предполагаемых апомиктов) в различных регионах страны.

Обработку обширного эмбриологического материала ускорили разработанные ускоренные методы приготовления препаратов зародышевых мешков с помощью ферментативной мацерации семязачатков. Они позволили перейти на популяционно-эмбриологической уровень изучения апомиксиса и выявить множество новых апомиктичных видов цветковых. На основе полученных данных были установлены диагностические эмбриологические признаки апомиксиса, разработаны оригинальные классификации форм апомиксиса и типов зародышевых мешков апомиктичных видов, обоснована концепция поливариантности эмбриологических процессов при апомиксисе. Выдвинутая гипотеза существенно меняла традиционные представления об особенностях реализации апомиксиса на эмбриологическом уровне.

Изучение теоретических и прикладных вопросов гаплоидии. Гаплоидия – возникновение особей с гаметическим (одинарным) набором хромосом. В основе образования гаплоидных растений может лежать несколько явлений, в частности, партеногенез – развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки, и андрогенез – явление, при котором после оплодотворения ядро яйцеклетки дегенерирует и замещается ядром спермия. Гаплоидные растения представляют собой ценный исходный материал для селекции. На их основе можно быстро получать чистые гомозиготные линии и сорта (всего за 1-2 года вместо 10-15 лет при использовании методов традиционной селекции), создавать аллоплазматические аналоги с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) и мутантные формы для различных селекционных целей. Спонтанное образование гаплоидов описано практически у всех покрытосеменных растений, однако частота их возникновения крайне низка (1 на 1000 и даже 10000 растений), что делает актуальным не только изучение причин и механизмов образования гаплоидов, но и разработку способов повышения частоты их появления в потомстве. Знание закономерностей и механизмов гаплоидии также необходимо для решения теоретических проблем фундаментальной биологи, в том числе, эволюции генома, проблем пола и др.

Основным объектом исследования закономерностей гаплоидии в отделе стала кукуруза (Zea mays L.). Это было связано не только с тем, что в 60-х гг. ХХ в. руководство СССР активно внедряло идею расширения масштабов ее выращивания и использовании, но и с тем, что она оказалась удобным объектом для генетических исследований (небольшое количество хромосом, 2n=20, пластичность к различным условиям выращивания и др.). Первые гаплоидные растения кукурузы были получены в лаборатории М.И. Зайцевой в 1962 г., что стало удачным стартом интенсивных исследований генетических, физиолого-биохимических и эмбриологических особенностей гаплоидных растений. На основе полученных данных, В.С. Тырновым была обоснована концепция ненаследуемых (индуцированных) и наследуемых форм гаплоидии, предложена оригинальная классификация партеногенеза, разработаны различные методы получения гаплоидов с частотой, достаточной для решения селекционных задач. Одна из предложенных В.С. Тырновым и А.Н. Завалишиной технологий получения матроклинных гаплоидов у кукурузы была удостоена Золотой медали ВДНХ СССР, беспатентная лицензия на нее в 1996 г. была куплена французской семеноводческой фирмой.

Для массового производства гаплоидов были выведены линии кукурузы, обладающие высокой гаплоиндуцирующей способностью. При использовании их в скрещиваниях в качестве отцовского родителя частота развития в потомстве гаплоидных растений возрастала в сотни раз по сравнению со спонтанной 0,01%. Сначала была получена линия ЗМС (Зародышевый Маркер Саратовский), индуцирующая образование гаплоидов с частотой до 3%, а позднее линии ЗМС-8, ЗМС-П с частотой гаплоидии 8-10%. Этот уникальный материал был передан во многие селекционные центры Советского Союза, Европы, Китая, где послужил основой для создания новых эффективных гаплоиндукторов (линии КМС и др.). Технология получения гаплоидов с использованием гаплоиндукторов в настоящее время является базовой во многих генетических исследованиях и в селекции гетерозисных гибридов кукурузы.

Ещё одним уникальным достижением саратовской школы по проблемам биологии и генетики систем репродукции стало выведение линий кукурузы с наследуемым типом партеногенеза. Не имеющая аналогов в мире линия АТ-1 (Апомиктичная Тырнова) давала в потомстве до 80% гаплоидных растений. На ее основе впоследствии были созданы  партеногенетические линии АТ-3, АПО и АТТМ [18].

Созданная трудами нескольких поколений ученых коллекция кукурузы сегодня включает более 100 линий и форм, среди которых линии с наследуемым и индуцированным типами партеногенеза, формы с разной плоидностью, различными фенотипическими маркерными признаками, ранне- и позднеспелые и др. Ежегодно проводится возобновление линий и продолжаются работы по выведению новых форм.

Использование технологий культуры in vitro для исследования систем репродукции растений и разработки новых методов селекции. Наряду с изучением апомиксиса и гаплоидии на кафедре генетики и в лаборатории проводились передовые исследования по разработке различных методов культуры растительных клеток и тканей in vitro. Одним из первых в мире и первым в СССР сотрудникам отдела удалось получить в стерильной культуре пыльников гаплоидные растения табака, пшеницы, тритикале, перца. На их основе были созданы ценные линии андроклинного происхождения пшеницы и табака. Одновременно с несколькими лабораториями США и впервые в СССР была разработана технология регенерации растений в культуре тканей злаков, которая сегодня лежит в основе многих направлений современной биотехнологии растений. Выявлены факторы, способствующие стабильной регенерации в культуре соматических тканей пшеницы, сорго, ячменя. Установлено, что при культивировании in vitro только апомиктичные линии проявляют способность к регенерации из неоплодотворенных семязачатков. Эта особенность была положена в основу диагностики и отбора партеногенетических форм кукурузы. Было показано, что культура неоплодотворенных завязей может служить оптимальной модельной системой, позволяющей изучать различные аспекты явления апомиксиса и пути его экспериментальной индукции.

С начала 80-х гг. лаборатория становится учебно-научным центром, откуда разработанные методы культуры in vitro распространились по десяткам научных учреждений бывшего Советского Союза. На разработанные технологии размножения растений в условиях in vivo и in vitro получено 19 патентов и авторских свидетельств.  Результаты проведённых исследований обобщены в 14 монографиях. Начиная с 1990-х гг., коллективом кафедры и отдела проводились исследования по 10 грантам различных отечественных научных фондов.

Признанием работ саратовской школы по проблемам биологии и генетики систем репродукции растений явилось организация и проведение на базе кафедры и лаборатории, начиная с 60-х гг. ХХ в., ряда крупных научных мероприятий, в том числе Первого Съезда Вавиловского общества генетиков и селекционеров России (1994), Международного симпозиума «Апомиксис у растений: состояние проблемы и перспективы исследований» (1994), III Международной школы для молодых учёных «Эмбриология, генетика и биотехнология» (2009).

Осуществляются совместные исследования с физическим факультетом СГУ, Институтом биохимии, физиологии растений и микроорганизмов (ИБФРМ РАН, г.Саратов), Российским научно-исследовательским и проектно-технологическим институтом сорго и кукурузы» (г.Саратов), НИИСХ Юго-Востока (г.Саратов), Саратовским государственным медицинским университетом им. В.А.Разумовского, Ботаническим институтом имени В.Л. Комарова РАН (г.Санкт-Петербург), Краснодарским НИИСХ имени П.П.Лукьяненко и др.

Существование и развитие научной школы не возможно без преемственности поколений. Инициированные С.С. Хохловым и В.С. Тырновым научные исследования продолжаются их учениками. Сотрудники кафедры и лаборатории  не только существенно дополнили своими исследованиями теоретические представления о системах репродукции растений, разработали новые технологии, способные ускорить селекционный процесс, но и обеспечили будущие поколения ученых уникальным материалом для теоретических и прикладных изысканий. Уникальность созданных линий с ненаследуемым (индуцированным) и наследуемым типами партеногенеза заключается в том, что они могут быть использованы не только в практических целях для получения исходного материала для селекции (чистых линий, новых мутантных форм), но и как специфические эмбриомутанты для решения фундаментальных проблем биологии, связанных с биохимией и физиологией репродуктивных процессов, генетической детерминацией процесса оплодотворения.

В современных исследованиях, проводимых кафедрой генетики и лабораторией биотехнологии и репродуктивной биологии, приоритетное место по-прежнему занимают работы по изучению явлений апомиксиса и гаплоидии. Вместе с тем, также проводятся исследования влияния низкочастотного магнитного поля на митотическую активность клеток апикальных меристем растений, изучается антимикробная активность биофлавоноидов пурпурной кукурузы, разрабатываются технологии клонального микроразмножения трудно размножающихся традиционными способами древесных растений. Несколько лет назад сотрудниками кафедры и отдела совместно с лабораторий генной инженерии ИБФРМ РАН (г.Саратов) были начаты работы по выявлению генов, ответственных за партеногенез и гаплоиндукцию, с использованием молекулярно-генетических и биоинформационных методов. Как и прежде, сотрудники кафедры генетики и отдела генетики и репродуктивной биологии составляют один коллектив единомышленников, который стремится не только развивать идеи своих учителей, но и преумножать достигнутые успехи.