"Metoden for genomredigering bør ikke være i motsetning til tradisjonelle seleksjonsmetoder. "Dette er snarere et nytt verktøy," understreker lederen av laboratoriet for plantestressmotstand All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) Vasily Taranov. – En gang i tiden utførte kirurger operasjoner med kniv, så dukket de opp skalpeller, deretter lasere. Helt andre alternativer ble tilgjengelige for kirurgi. Så genteknologi tilbyr et verktøy som du kan ta og forbedre noe med, men det kansellerer eller erstatter ikke alt som ble brukt tidligere.»
All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) driver et laboratorium for plantestressresistens, hvis arbeid utføres i to hovedretninger: søket etter gener som bestemmer planteresistens mot abiotisk og biotisk stress, og redigering av genomet av kulturplanter for å øke deres stressmotstand. Forskernes forskningsområde inkluderer poteter og frimarksgrønnsaker.
Vi snakker med sjefen for laboratoriet Vasily Taranov og seniorforsker Marina Lebedeva om hva funksjonene og fordelene ved de nyeste teknologiene er, hvilke resultater de kan oppnå og hvilke problemer med russiske landbruksprodusenter de brukes av laboratorieforskere til å løse.
– I dag er det mye snakk om behovet for å fremskynde utvelgelsesprosessen. Det antas at metoden for genomredigering gjør at dette kan gjøres. Dette er sant?
V.T.: Det ville være mer riktig å si at bioteknologiske metoder ikke hjelper så mye med å fremskynde utvalget som å utvide forskernes evner. Prosessen med å jobbe med en variasjon er fortsatt ganske lang, siden vi snakker om planter som har en viss livssyklus.
Men det blir mulig for spesialister å oppnå resultater som ville være ekstremt vanskelig (om ikke umulig) å oppnå ved bruk av tradisjonelle avlsmetoder.
Ved hjelp av genomisk redigering kan vi målrettet introdusere en mutasjon som direkte påvirker en spesifikk egenskap ved en sort, samtidig som resten av komplekset av økonomisk verdifulle egenskaper holdes uendret.
M.L.: Tenk deg at vi ønsker å introdusere et resistensgen fra en villpotet i vår kultiverte variant ved bruk av tradisjonelle avlsmetoder. For å gjøre dette utfører oppdretteren en serie kryssinger av "vilden" med visse kulturelle linjer. Problemet er at sammen med resistensgenet overføres alle andre «ville» gener til sorten, noe som oftest er ekstremt uønsket. Genteknologi lar deg ta/endre kun ett ønsket gen.
– Det er et synspunkt at til tross for at metoden for genomredigering har vært kjent i rundt 10 år, har den ennå ikke gitt merkbare kommersielle resultater.
V.T.: Dette er ikke helt sant. Verdens ledende avlsselskaper bruker genomredigering og legger ikke skjul på det. Men vi vet ikke nøyaktig hva de gjør og hvilke resultater de får.
Prestasjoner annonseres ikke fordi det er dyrere å bringe på markedet en plante som er bearbeidet ved hjelp av genteknologiske metoder enn en som ble oppnådd tradisjonelt. Og noen ganger er dette rett og slett umulig å gjøre.
Samtidig er det svært vanskelig å bevise at genomredigering ble brukt til å lage en bestemt variasjon ved hjelp av eksisterende metoder.
Under testen vil spesialister se etter en markørsekvens i genomet til organismen; hvis den er tilstede, vil planten bli gjenkjent som genmodifisert. Men med genomisk redigering blir ingenting introdusert i genomet, så ingenting kan bli funnet.
Endringer påvirker ofte ikke bare ett gen, men et spesifikt sted i genet, bokstavelig talt ett nukleotid, en bokstav. Og de resterende milliarder av brev forblir som de var. For å fastslå at en plante har blitt redigert, må du faktisk lese hele genomet, med en dekning ti ganger høyere enn standarden for å eliminere feil. Ingen vil gjøre en så omfattende og veldig kostbar analyse, og oppdretteren kan alltid si at han fikk planten ved hjelp av mutagenese eller tradisjonell seleksjon.
– M.L.: Genomredigering generelt, og spesielt opplevelsen av å bruke disse teknologiene på planter, er en ganske fersk historie.
Ikke minst fordi for å endre en funksjon må du vite nøyaktig hva og hvordan du skal redigere den. Plantetrekk bestemmes av gener, oftest et sett med gener, som egnede mål for redigering må velges fra. Men å belyse funksjonene og reguleringen av spesifikke gener som bidrar til egenskaper av interesse krever komplekse og ofte lange studier. Sammenlignet med dyr og mennesker kan vi si at vi ikke kjenner mange av de molekylære mekanismene til planteegenskaper (for eksempel resistens, produktivitet osv.) så godt. Samtidig er plantegenomene større og mer komplekse, noe som slett ikke forenkler oppgaven. Mye er imidlertid allerede kjent gjennom grunnforskning i plantebiologi, og jo mer vi forstår dette, jo mer øker mulighetene våre for modifikasjon.
I tillegg snakker vi om en metode som gjør det mulig å korrigere visse egenskaper, men ikke å introdusere nye varianter til markedet, arbeid som, til tross for en viss akselerasjon, fortsatt tar år.
– Gjør bioteknologer genredigering? Hvordan bestemmer de den faktiske arbeidsretningen (hensikten med redigering)?
V.T.: Bioteknologen må jobbe sammen med en vellykket oppdretter av den valgte avlingen og ideelt sett involvere andre spesialprodusenter. Oppdretter setter sammen med bøndene oppgaven, oppdretter hjelper til med å velge ut passende genotyper. Vi på sin side rådfører seg med biokjemikere og genetikere, vi tenker hva vi kan tilby på dette grunnlaget (de nødvendige egenskapene er ikke alltid tilstrekkelig studert fra et biologisk synspunkt). Vi ser på hva vi faktisk kan gjøre, utfører arbeidet vårt, returnerer den resulterende linjen til oppdretteren, og oppdretter bringer resultatet til sorten.
- Er genomredigering en dyr teknologi?
V.T.: Kostnaden for å skaffe en plante avhenger av avlingen og om den resulterende planten er redigert eller transgen.
Hvis vi snakker om utstyr, så for et selskap som allerede er engasjert i å skaffe virusfritt materiale og mikrokloning, vil kjøp av utstyr og reagenser for genomredigering koste et relativt lite beløp. Hindringen for å starte slikt arbeid er kanskje ikke den overveldende investeringen, men mangelen på kvalifisert personell. Det er svært få mennesker som kan påta seg og utføre en så spesialisert oppgave.
Og når vi kommer tilbake til kostnadene: Den teknologiske utviklingen på dette området går veldig raskt. Metodene for genomredigering, for eksempel i 2012, da CRISPR/Cas9 ble oppdaget (en teknologi for redigering av genomene til høyere organismer, basert på immunsystemet til bakterier), og det vi har nå er veldig forskjellige. Driftseffektiviteten øker år for år, og kostnadene synker.
M.L.: Dette kan sammenlignes med det menneskelige genom-sekvenseringsprosjektet. Det første menneskelige genomet ble sekvensert av et internasjonalt konsortium i 10 år for 2.7 milliarder dollar rett og slett fordi slike teknologier var tilgjengelige på 90-tallet. Foreløpig koster sekvensering av et fullstendig menneskelig genom mindre enn 1000 dollar og tar et par dager.
– La oss gå videre til å snakke om laboratoriet ditt, er det fokusert på grunnleggende vitenskap eller anvendt forskning?
V.T.: Vi prøver å gjøre begge deler. I utgangspunktet ble grunnleggende ting prioritert, men nå prøver vi å bruke utviklingen vår til praksis.
For øyeblikket studerer vi for eksempel mekanismene for potetresistens mot virus Y. Dette er mye grunnleggende arbeid, men hvis det lykkes, vil resultatet være veldig interessant for valg av resistente varianter.
M.L.: Grunnleggende og anvendt vitenskap henger tett sammen; det ene kan ikke eksistere uten det andre. Hvis vi ikke vet hvordan viruset interagerer med planten, med hvilke spesifikke proteiner, vil vi ikke kunne endre dem for å gjøre planten resistent.
Vi har forsket på virus Y siden 2018 og nærmer oss nå det faktum at vi i løpet av de neste par årene vil få en formel for resistens, og i fremtiden det nødvendige praktiske resultatet: potetplanten vil ikke syntetisere virale proteiner, den vil være motstandsdyktig mot viruset.
– Samarbeider du med russiske avlsselskaper/oppdrettere?
V.T.: På poteter jobber vi med en ung oppdretter Maria Polyakova, kommuniserer aktivt med eksperter fra Potetunionen og opprettholder kontakter med Potato Federal Research Center oppkalt etter. A.G. Lorja. Når det gjelder kål, samhandler vi med oppdrettere og frødyrkere fra det russiske statlige agraruniversitetet-Moskva Agricultural Academy oppkalt etter. K.A. Timiryazev av Grigory og Sokrates Monachos. Og i det vi gjør på dette området, er vi fullstendig styrt av dem.
– Og igjen om virus. Marina Valerievna, ditt utvalg av vitenskapelige interesser inkluderer ikke bare viruset Y. I 2023 mottok du et stipend fra Russian Science Foundation for å forske på prosjektet "Studie av viromer av dyrkede poteter (Solanum tuberosum L.) ved bruk av sekvenseringsmetoder med høy gjennomstrømning." Hvorfor er dette temaet interessant?
M.L.: Poteter, i større grad enn mange andre planter, lider av virussykdommer, siden de forplantes vegetativt. Virus akkumuleres i knoller og overføres til neste generasjoner, så virusmengden vokser stadig. Når de sier at poteter degenererer, er det nettopp dette vi snakker om.
Virus er ikke inerte systemer; de samhandler aktivt med både vertsplanten og hverandre. Det er tilfeller der en plante som allerede er syk med ett spesifikt virus ikke kan bli infisert med et annet. Og det er virus som ikke kan infisere en plante alene; de virker bare i samarbeid med andre virus. For nylig ble det publisert et verk som beskriver former for virus som hjelper planter å overleve tørke. En slik uventet overgang fra parasittisme til gjensidighet.
Det finnes ingen effektive kjemikalier for å bekjempe virussykdommer på poteter. For å forbedre helsen er det utviklet ganske komplekse og, viktigst av alt, dyre metoder: gjennom in vitro-kultur, skaffe mikroknoller. Men resultatet varer bare i noen få generasjoner. For å finne andre løsninger må du studere egenskapene til virus mer detaljert, så studien er veldig, veldig relevant.
– GOST 33996-2016 “Strøpoteter. Tekniske forhold og metoder for å bestemme kvalitet" fem virus er listet opp (PVK - X potetvirus; SBK - S potetvirus; MVK - M potetvirus; YBK - Y potetvirus; VSLK - bladkrøllevirus potet) og en viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Vil du fokusere på dem?
M.L.: Prosjektet mitt tar sikte på å bruke high-throughput metoder for å studere de viromene (samlingene av virus) som finnes på poteter i Russland. Dette er interessant både med tanke på hvilke komplekser av forskjellige virus som finnes på en plante, og med tanke på utbredelsen av disse virusene.
Totalt er mer enn 50 virus funnet på poteter kjent i verden. De som er oppført i GOST er blant de farligste, og i tillegg har de tydelige ytre tegn. Således er mosaikknekrose en vanlig manifestasjon av virus Y-infeksjon, og tilstedeværelsen av bladkrøllevirus kan bestemmes av den karakteristiske deformasjonen av bladblader.
Men det er mange virus som ikke viser seg fenotypisk, selv om de også kan ha effekt på avlingen. De blir sjelden oppdaget, men bare fordi de ikke letes etter.
Som et eksempel kan jeg sitere arbeidet til kolleger fra All-Russian Research Institute of Plant Protection (VIZR). I 2019 publiserte de en artikkel om oppdagelsen av potetvirus P i Russland. Tidligere trodde man at det ble distribuert utelukkende i Sør-Amerika.
Spørsmålet er hva vi vil oppdage hvis vi ikke ser "under gatelyset" der det er lyst, men hvor vi ennå ikke har sett.
– Hvor skal du forske?
M.L.: I henhold til vilkårene for tilskuddet vil prosjektet ta to år. I fjor samarbeidet vi med en potetgård i Tula-regionen, samlet inn materiale, jobbet med ulike sorter og reproduksjoner. I år skal vi til andre regioner og se hvilke virus som finnes der.
Resultatene av studien vil bli oppsummert i 2025, og vi vil definitivt fortelle russiske potetdyrkere om dem.