"Metoden för genomredigering bör inte stå i motsats till traditionella urvalsmetoder. "Det här är snarare ett nytt verktyg", betonar chefen för laboratoriet för växtresistens mot stress All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) Vasily Taranov. – En gång i tiden gjorde kirurger operationer med kniv, sedan dök de upp skalpeller, sedan lasrar. Helt andra alternativ blev tillgängliga för operation. Så genteknik erbjuder ett verktyg med vilket du kan ta och förbättra något, men det avbryter eller ersätter inte allt som användes tidigare."
All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) driver ett laboratorium för växtstressresistens, vars arbete utförs i två huvudriktningar: sökandet efter gener som bestämmer växtresistens mot abiotisk och biotisk stress, och redigering av genomet av odlade växter för att öka deras stressbeständighet. Forskarnas forskningsområde omfattar potatis och markgrönsaker.
Vi pratar med chefen för laboratoriet Vasily Taranov och seniorforskaren Marina Lebedeva om vilka funktioner och fördelar med den senaste tekniken är, vilka resultat de kan uppnå och vilka problem hos ryska jordbruksproducenter de används av laboratorieforskare för att lösa.
– I dag pratas det mycket om behovet av att snabba på urvalsprocessen. Man tror att metoden för genomredigering tillåter detta att göras. Detta är sant?
V.T.: Det skulle vara mer korrekt att säga att biotekniska metoder inte hjälper så mycket att påskynda urvalet som att utöka forskarnas kapacitet. Processen att arbeta med en sort är fortfarande ganska lång, eftersom vi talar om växter som har en viss livscykel.
Men det blir möjligt för specialister att få resultat som skulle vara extremt svåra (om inte omöjliga) att uppnå med traditionella avelsmetoder.
Med hjälp av genomisk redigering kan vi målmedvetet introducera en mutation som direkt påverkar en specifik egenskap hos en sort, samtidigt som resten av komplexet av ekonomiskt värdefulla egenskaper behålls oförändrat.
M.L.: Föreställ dig att vi vill introducera en resistensgen från en vildpotatis i vår odlade sort med traditionella förädlingsmetoder. För att göra detta utför uppfödaren en serie korsningar av "vilden" med vissa kulturella linjer. Problemet är att tillsammans med resistensgenen överförs alla andra "vilda" gener till sorten, vilket oftast är extremt oönskat. Genteknik låter dig ta/byta endast en önskad gen.
– Det finns en synpunkt att trots att metoden för genomredigering har varit känd i cirka 10 år, har den ännu inte gett märkbara kommersiella resultat.
V.T.: Detta är inte helt sant. Världens ledande avelsföretag använder genomredigering och döljer det inte. Men vi vet inte exakt vad de gör och vilka resultat de får.
Prestationer annonseras inte eftersom det är dyrare att marknadsföra en växt som har bearbetats med genteknik än en som erhållits traditionellt. Och ibland är detta helt enkelt omöjligt att göra.
Samtidigt är det mycket svårt att bevisa att genomredigering användes för att skapa en viss sort med hjälp av befintliga metoder.
Under testet kommer specialister att leta efter en markörsekvens i organismens arvsmassa, om den är närvarande kommer växten att kännas igen som genetiskt modifierad. Men med genomisk redigering införs ingenting i arvsmassan, så ingenting kan hittas.
Förändringar påverkar ofta inte bara en gen, utan en specifik plats i genen, bokstavligen en nukleotid, en bokstav. Och de återstående miljarderna brev förblir som de var. För att fastställa att en växt har redigerats måste du faktiskt läsa hela dess genom, med en täckning tio gånger högre än standarden för att eliminera fel. Ingen kommer att göra en så omfattande och mycket dyr analys, och uppfödaren kan alltid säga att han fick växten med hjälp av mutagenes eller traditionellt urval.
– M.L.: Genomredigering i allmänhet, och särskilt erfarenheten av att använda dessa teknologier på växter, är en ganska ny historia.
Inte minst för att man för att ändra en funktion behöver veta exakt vad och hur man redigerar den. Växtegenskaper bestäms av gener, oftast en uppsättning gener, från vilka lämpliga mål för redigering måste väljas. Men att belysa funktionerna och regleringen av specifika gener som bidrar till egenskaper av intresse kräver komplexa och ofta långa studier. Jämfört med djur och människor kan vi säga att vi inte känner till många av de molekylära mekanismerna för växtegenskaper (till exempel resistens, produktivitet, etc.) särskilt väl. Samtidigt är växtgenomerna större och mer komplexa, vilket inte alls förenklar uppgiften. Mycket är dock redan känt genom grundforskning inom växtbiologi, och ju mer vi förstår detta desto mer ökar våra möjligheter till modifiering.
Dessutom talar vi om en metod som gör det möjligt att korrigera vissa egenskaper, men inte att introducera nya sorter på marknaden, som, trots viss acceleration, fortfarande tar år.
– Gör bioteknologer genredigering? Hur bestämmer de själva riktningen för arbetet (syftet med redigeringen)?
V.T.: Bioteknologen måste arbeta tillsammans med en framgångsrik förädlare av den valda grödan och helst involvera andra specialistproducenter. Uppfödaren, tillsammans med bönderna, sätter uppgiften, uppfödaren hjälper till att välja ut lämpliga genotyper. Vi i sin tur rådgör med biokemister och genetiker, vi tror vad vi kan erbjuda på denna grund (de nödvändiga egenskaperna studeras inte alltid tillräckligt ur biologisk synvinkel). Vi tittar på vad vi faktiskt kan göra, utför vårt skede av arbetet, lämnar tillbaka den resulterande linjen till förädlaren, och förädlaren tar med resultatet till sorten.
- Är genomredigering en dyr teknik?
V.T.: Kostnaden för att få en växt beror på grödan och om den resulterande växten är redigerad eller transgen.
Om vi pratar om utrustning, så för ett företag som redan är engagerat i att erhålla virusfritt material och mikrokloning, kommer inköp av utrustning och reagens för genomredigering att kosta en relativt liten summa. Hindret för att påbörja ett sådant arbete är kanske inte den överväldigande investeringen, utan bristen på kvalificerad personal. Det finns väldigt få människor som kan ta på sig och utföra en så specialiserad uppgift.
Och när vi kommer tillbaka till kostnaderna: de tekniska framstegen på detta område är mycket snabba. Metoderna för genomredigering, säg, 2012, när CRISPR/Cas9 upptäcktes (en teknik för redigering av arvsmassan från högre organismer, baserad på bakteriers immunsystem), och vad vi har nu är väldigt olika. Verksamhetseffektiviteten ökar år för år och kostnaderna minskar.
M.L.: Detta kan jämföras med det mänskliga genomsekvenseringsprojektet. Det första mänskliga genomet sekvenserades av ett internationellt konsortium under 10 år för 2.7 miljarder dollar helt enkelt för att sådan teknik fanns tillgänglig på 90-talet. För närvarande kostar sekvensering av ett fullständigt mänskligt genom mindre än 1000 XNUMX dollar och tar ett par dagar.
– Låt oss gå vidare till att prata om ditt laboratorium, är det fokuserat på grundläggande vetenskap eller tillämpad forskning?
V.T.: Vi försöker göra båda. Till en början prioriterades grundläggande saker, men nu försöker vi tillämpa vår utveckling i praktiken.
För närvarande studerar vi till exempel mekanismerna för potatisresistens mot virus Y. Detta är mycket grundläggande arbete, men om det lyckas kommer resultatet att vara mycket intressant för valet av resistenta sorter.
M.L.: Grundläggande och tillämpad vetenskap är nära sammankopplade, det ena kan inte existera utan det andra. Om vi inte vet hur viruset interagerar med växten, med vilka specifika proteiner, kommer vi inte att kunna ändra dem för att göra växten resistent.
Vi har forskat på virus Y sedan 2018 och närmar oss nu det faktum att vi inom de närmaste åren kommer att få en formel för resistens, och i framtiden det nödvändiga praktiska resultatet: potatisplantan kommer inte att syntetisera virusproteiner, den kommer att vara resistent mot viruset.
– Samarbetar du med ryska avelsföretag/uppfödare?
V.T.: När det gäller potatis arbetar vi med en ung uppfödare Maria Polyakova, kommunicerar aktivt med experter från Potatisunionen och upprätthåller kontakter med Potato Federal Research Center som är uppkallat efter. A.G. Lorja. När det gäller kål interagerar vi med uppfödare och fröodlare från det ryska statliga jordbruksuniversitetet-Moskva jordbruksakademi uppkallad efter. K.A. Timiryazev av Grigory och Sokrates Monachos. Och i det vi gör på det här området styrs vi helt av dem.
– Och återigen om virus. Marina Valerievna, ditt utbud av vetenskapliga intressen inkluderar inte bara viruset Y. År 2023 fick du ett anslag från Russian Science Foundation för att bedriva forskning om projektet "Studie av viromer av odlad potatis (Solanum tuberosum L.) med hjälp av sekvenseringsmetoder med hög genomströmning." Varför är detta ämne intressant?
M.L.: Potatis, i större utsträckning än många andra växter, lider av virussjukdomar, eftersom de förökas vegetativt. Virus ackumuleras i knölar och överförs till nästa generationer, så virusmängden växer hela tiden. När de säger att potatis urartar är det precis det vi pratar om.
Virus är inte inerta system, de interagerar aktivt med både värdväxten och varandra. Det finns fall där en växt som redan är sjuk med ett specifikt virus inte kan bli infekterad med ett annat. Och det finns virus som inte kan infektera en växt ensam, de verkar bara i samarbete med andra virus. Alldeles nyligen publicerades ett arbete som beskriver former av virus som hjälper växter att överleva torka. En sådan oväntad övergång från parasitism till mutualism.
Det finns inga effektiva kemikalier för att bekämpa virussjukdomar på potatis. För att förbättra dess hälsa har ganska komplexa och, viktigast av allt, dyra metoder utvecklats: genom in vitro-odling, erhållande av mikroknölar. Men resultatet håller bara i några generationer. För att hitta andra lösningar måste du studera virusens egenskaper mer i detalj, så studien är väldigt, väldigt relevant.
– GOST 33996-2016 “Fröpotatis. Tekniska förhållanden och metoder för att bestämma kvalitet" fem virus är listade (PVK - X potatisvirus; SBK - S potatisvirus; MVK - M potatisvirus; YBK - Y potatisvirus; VSLK - leaf curl virus potatis) och en viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Kommer du att fokusera på dem?
M.L.: Mitt projekt syftar till att använda högkapacitetsmetoder för att studera de virom (samlingar av virus) som finns på potatis i Ryssland. Detta är intressant både ur synvinkeln av vilka komplex av olika virus som finns på en växt, och ur synvinkeln av förekomsten av dessa virus.
Totalt är mer än 50 virus som finns på potatis kända i världen. De som listas i GOST är bland de farligaste, och dessutom har de tydliga yttre tecken. Mosaiknekros är således en vanlig manifestation av virus Y-infektion, och förekomsten av bladkrullvirus kan bestämmas av den karakteristiska deformationen av bladbladen.
Men det finns många virus som inte visar sig fenotypiskt, även om de också kan påverka grödan. De upptäcks sällan, utan bara för att de inte letas efter.
Som ett exempel kan jag nämna arbetet från kollegor från All-Russian Research Institute of Plant Protection (VIZR). 2019 publicerade de en artikel om upptäckten av potatisvirus P i Ryssland. Tidigare trodde man att det uteslutande distribuerades i Sydamerika.
Frågan är vad vi kommer att upptäcka om vi inte tittar "under gatubelysningen" där det är ljust, utan där vi ännu inte har tittat.
– Var ska du göra din forskning?
M.L.: Enligt villkoren för bidraget kommer projektet att ta två år. Förra året samarbetade vi med en potatisodling i Tularegionen, samlade material, arbetade med olika sorter och reproduktioner. I år ska vi åka till andra regioner och se vilka virus som finns där.
Resultaten av studien kommer att sammanfattas 2025, och vi kommer definitivt att berätta för ryska potatisodlare om dem.