”Genomieditointimenetelmää ei pidä vastustaa perinteisiä valintamenetelmiä vastaan. "Tämä on melko uusi työkalu", korostaa kasvien stressiresistenssilaboratorion johtaja Koko Venäjän maatalousbiotekniikan tutkimuslaitos (VNIISB) Vasily Taranov. – Kerran kirurgit tekivät leikkauksia veitsellä, sitten niitä ilmestyi skalpellit, sitten laserit. Leikkaukseen tulivat täysin erilaiset vaihtoehdot. Geenitekniikka tarjoaa siis työkalun, jolla voi ottaa ja parantaa jotain, mutta se ei kumoa tai korvaa kaikkea aiemmin käytettyä."
All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) toimii kasvien stressiresistenssin laboratoriossa, jonka työskentely tapahtuu kahdella pääsuunnassa: kasvien abioottisen ja bioottisen stressin resistenssin määrittävien geenien etsiminen ja genomin muokkaaminen. viljelykasveista niiden stressinkeston lisäämiseksi. Tutkijoiden tutkimusalueeseen kuuluvat perunat ja avomaan vihannekset.
Keskustelemme laboratorion päällikön Vasily Taranovin ja vanhempi tutkija Marina Lebedevan kanssa siitä, mitkä ovat uusimpien teknologioiden ominaisuudet ja edut, mitä tuloksia niillä voidaan saavuttaa ja minkälaisten venäläisten maataloustuottajien ongelmien ratkaisemiseen laboratoriotutkijat käyttävät niitä.
– Nykyään puhutaan paljon tarpeesta nopeuttaa valintaprosessia. Uskotaan, että genomin muokkausmenetelmä mahdollistaa tämän. Tämä on totta?
V.T.: Olisi oikein sanoa, että biotekniset menetelmät eivät niinkään auta nopeuttamaan valintaa kuin laajentamaan tutkijoiden kykyjä. Lajikkeen käsittelyprosessi on edelleen melko pitkä, koska puhumme kasveista, joilla on tietty elinkaari.
Mutta asiantuntijoiden on mahdollista saavuttaa tuloksia, joita olisi erittäin vaikea (ellei mahdoton) saavuttaa perinteisillä jalostusmenetelmillä.
Genomisen muokkauksen avulla voimme määrätietoisesti ottaa käyttöön mutaation, joka vaikuttaa suoraan lajikkeen tiettyyn ominaisuuteen, pitäen muun taloudellisesti arvokkaiden ominaisuuksien kompleksin ennallaan.
M.L.: Kuvittele, että haluamme tuoda resistenssigeenin luonnonvaraisesta perunasta viljeltyyn lajikkeeseen perinteisin jalostusmenetelmin. Tätä varten kasvattaja suorittaa sarjan "villieläinten" risteyksiä tietyillä kulttuurilinjoilla. Ongelmana on, että resistenssigeenin mukana lajikkeeseen siirtyy kaikki muutkin "villit" geenit, mikä on useimmiten erittäin ei-toivottua. Geenitekniikan avulla voit ottaa/vaihtaa vain yhden halutun geenin.
– On näkemys, että huolimatta siitä, että genomin editointimenetelmä on ollut tiedossa noin 10 vuotta, se ei ole vielä tuottanut huomattavia kaupallisia tuloksia.
V.T.: Tämä ei ole täysin totta. Maailman johtavat jalostusyritykset käyttävät genomieditointia eivätkä piilota sitä. Mutta emme tiedä mitä he tarkalleen tekevät ja mitä tuloksia he saavat.
Saavutuksia ei mainosteta, koska geenitekniikalla käsiteltyä kasvia on kalliimpaa tuoda markkinoille kuin perinteisesti hankittua. Ja joskus tämä on yksinkertaisesti mahdotonta tehdä.
Samalla on hyvin vaikeaa todistaa, että genomieditointia käytettiin tietyn lajikkeen luomiseen olemassa olevilla menetelmillä.
Testin aikana asiantuntijat etsivät merkkisekvenssiä organismin genomista, jos se on läsnä, kasvi tunnistetaan geneettisesti muunnetuksi. Mutta genomimuokkauksella mitään ei viedä genomiin, joten mitään ei löydy.
Muutokset eivät useinkaan vaikuta vain yhteen geeniin, vaan tiettyyn paikkaan geenissä, kirjaimellisesti yhteen nukleotidiin, yhteen kirjaimeen. Ja loput miljardit kirjeet pysyvät ennallaan. Selvittääksesi, että kasvia on muokattu, sinun on itse asiassa luettava sen koko genomi, kattavuus kymmenen kertaa suurempi kuin standardi virheiden poistamiseksi. Kukaan ei tee niin laajaa ja erittäin kallista analyysiä, ja kasvattaja voi aina sanoa, että hän on saanut kasvin mutageneesillä tai perinteisellä valinnalla.
– M.L.: Genomieditointi yleensä ja erityisesti kokemus näiden teknologioiden käytöstä kasveissa on melko tuore tarina.
Ei vähiten siksi, että ominaisuuden muuttaminen edellyttää, että tiedät mitä tarkalleen ja miten sitä muokataan. Kasvien ominaisuudet määräytyvät geenien, useimmiten geenien perusteella, joista on valittava sopivat kohteet editoitavaksi. Mutta kiinnostavia piirteitä edistävien tiettyjen geenien toimintojen ja säätelyn selvittäminen vaatii monimutkaisia ja usein pitkiä tutkimuksia. Eläimiin ja ihmisiin verrattuna voidaan sanoa, että emme tunne monia kasvien ominaisuuksien molekyylimekanismeja (esimerkiksi vastustuskykyä, tuottavuutta jne.) kovin hyvin. Samaan aikaan kasvien genomit ovat suurempia ja monimutkaisempia, mikä ei yksinkertaista tehtävää ollenkaan. Kasvibiologian perustutkimuksen kautta tiedetään kuitenkin jo paljon, ja mitä enemmän tätä ymmärrämme, sitä enemmän modifiointimahdollisuutemme kasvavat.
Lisäksi puhumme menetelmästä, joka mahdollistaa tiettyjen ominaisuuksien korjaamisen, mutta ei uusien lajikkeiden tuomisen markkinoille, joiden työstäminen kestää tietystä kiihtyvyydestä huolimatta edelleen vuosia.
– Tekevätkö bioteknikot geenieditointia? Miten ne määrittävät teoksen todellisen suunnan (editointitarkoituksen)?
V.T.: Bioteknikon on työskenneltävä yhdessä valitun kasvin menestyneen kasvattajan kanssa ja mieluiten mukana muita erikoistuneita tuottajia. Kasvattaja yhdessä viljelijöiden kanssa asettaa tehtävän, kasvattaja auttaa valitsemaan sopivat genotyypit. Me puolestaan neuvottelemme biokemistien ja geneetikkojen kanssa, mietimme, mitä voimme tällä perusteella tarjota (tarvittavia ominaisuuksia ei aina ole riittävästi tutkittu biologisesta näkökulmasta). Katsomme, mitä todella voimme tehdä, suoritamme työvaiheemme, palauttamme syntyneen linjan jalostajalle, ja kasvattaja tuo tuloksen lajikkeeseen.
- Onko genomin muokkaaminen kallis tekniikka?
V.T.: Kasvin hankintakustannukset riippuvat sadosta ja siitä, onko saatu kasvi editoitu vai siirtogeeninen.
Jos puhumme laitteista, niin yritykselle, joka jo harjoittaa virusvapaan materiaalin hankkimista ja mikrokloonausta, genomin muokkaamiseen tarkoitettujen laitteiden ja reagenssien hankinta maksaa suhteellisen pienen summan. Esteenä tällaisen työn aloittamiselle ei välttämättä ole valtava investointi, vaan pätevän henkilöstön puute. On hyvin vähän ihmisiä, jotka voivat ottaa vastaan ja suorittaa näin erikoistuneen tehtävän.
Ja palatakseni kustannuksiin: tekninen kehitys tällä alalla on erittäin nopeaa. Genomin muokkausmenetelmät esimerkiksi vuonna 2012, jolloin löydettiin CRISPR/Cas9 (teknologia korkeampien organismien genomien muokkaamiseen, joka perustuu bakteerien immuunijärjestelmään) ja nykyiset menetelmät ovat hyvin erilaisia. Toiminnan tehokkuus kasvaa vuosi vuodelta ja kustannukset laskevat.
M.L.: Tätä voidaan verrata ihmisen genomin sekvensointiprojektiin. Kansainvälinen konsortio sekvensoi ensimmäisen ihmisen genomin 10 vuoden ajan 2.7 miljardilla dollarilla yksinkertaisesti siksi, että tällaisia tekniikoita oli saatavilla 90-luvulla. Tällä hetkellä ihmisen täydellisen genomin sekvensointi maksaa alle 1000 XNUMX dollaria ja kestää muutaman päivän.
– Siirrytäänpä puhumaan laboratoriostasi, keskittyykö se perustieteeseen vai soveltavaan tutkimukseen?
V.T.: Yritämme tehdä molempia. Aluksi etusijalla olivat perustavanlaatuiset asiat, mutta nyt yritämme soveltaa kehitystämme käytäntöön.
Tällä hetkellä esimerkiksi tutkimme perunan Y-viruksen vastustuskyvyn mekanismeja. Tämä on paljon perustyötä, mutta onnistuessaan tulos on erittäin mielenkiintoinen vastustuskykyisten lajikkeiden valinnassa.
M.L.: Perustiede ja soveltava tiede liittyvät läheisesti toisiinsa, toista ei voi olla ilman toista. Jos emme tiedä, miten virus on vuorovaikutuksessa kasvin kanssa, minkä proteiinien kanssa, emme voi muuttaa niitä kasvista vastustuskykyisiksi.
Olemme tehneet Y-virustutkimusta vuodesta 2018 lähtien ja lähestymme nyt sitä, että parin seuraavan vuoden aikana saamme resistenssin kaavan ja tulevaisuudessa tarvittavan käytännön tuloksen: perunakasvi ei syntetisoi virusproteiineja, se on vastustuskykyinen virukselle.
– Teetkö yhteistyötä venäläisten jalostusyritysten/kasvattajien kanssa?
V.T.: Perunoissa työskentelemme nuoren kasvattajan Maria Polyakovan kanssa, kommunikoimme aktiivisesti Perunaliiton asiantuntijoiden kanssa ja pidämme yhteyttä Perunaliiton nimettyyn tutkimuskeskukseen. A.G. Lorja. Kaalin osalta olemme vuorovaikutuksessa Venäjän valtion maatalousyliopiston Moskovan maatalousakatemian kasvattajien ja siemenviljelijöiden kanssa. K.A. Timiryazev, Grigori ja Sokrates Monachos. Ja mitä teemme tällä alalla, olemme täysin heidän ohjaamiamme.
– Ja taas viruksista. Marina Valerievna, tieteellisiin kiinnostuksen kohteisiisi ei kuulu vain virus Y. Vuonna 2023 sait Venäjän tiedesäätiöltä apurahan tutkimuksen tekemiseen hankkeessa "Viljeltyjen perunoiden (Solanum tuberosum L.) viromien tutkimus korkean suorituskyvyn sekvensointimenetelmillä." Miksi tämä aihe kiinnostaa?
M.L.: Perunat kärsivät useammin kuin monet muut kasvit virustaudeista, koska ne lisääntyvät kasvullisesti. Virukset kerääntyvät mukuloihin ja siirtyvät seuraaville sukupolville, joten viruskuorma kasvaa jatkuvasti. Kun he sanovat, että perunat rappeutuvat, puhumme juuri tästä.
Virukset eivät ole inerttejä järjestelmiä, vaan ne ovat aktiivisesti vuorovaikutuksessa sekä isäntäkasvin että toistensa kanssa. On tapauksia, joissa kasvi, joka on jo sairastunut johonkin tiettyyn virukseen, ei voi saada tartuntaa toisella. Ja on viruksia, jotka eivät voi tartuttaa kasvia yksin, vaan ne toimivat vain yhteistyössä muiden virusten kanssa. Äskettäin julkaistiin teos, jossa kuvataan virusmuotoja, jotka auttavat kasveja selviytymään kuivuudesta. Sellainen odottamaton siirtymä loisista vastavuoroisuuteen.
Ei ole olemassa tehokkaita kemikaaleja perunoiden virussairauksien torjumiseksi. Sen terveyden parantamiseksi on kehitetty melko monimutkaisia ja mikä tärkeintä kalliita menetelmiä: in vitro -viljelyn avulla mikromukuloiden hankkiminen. Mutta tulos kestää vain muutaman sukupolven. Muiden ratkaisujen löytämiseksi sinun on tutkittava virusten ominaisuuksia tarkemmin, joten tutkimus on erittäin, erittäin relevantti.
– GOST 33996-2016 "Siemenperunat. Laadun määrittämisen tekniset ehdot ja menetelmät" luetellaan viisi virusta (PVK - X perunavirus; SBK - S perunavirus; MVK - M perunavirus; YBK - Y perunavirus; VSLK - lehtikäpristymisvirus peruna) ja yksi viroidi (PSTV – perunan sukkulan mukulaviroidi). Keskitytkö niihin?
M.L.: Projektini tavoitteena on korkean suorituskyvyn menetelmien avulla tutkia niitä viromeja (viruskokoelmia), joita esiintyy perunoissa Venäjällä. Tämä on mielenkiintoista sekä sen kannalta, mitä eri virusten komplekseja yhdestä kasvista löytyy, että näiden virusten esiintyvyyden kannalta.
Yhteensä maailmassa tunnetaan yli 50 perunoista löydettyä virusta. GOST:ssa luetellut ovat vaarallisimpia, ja lisäksi niillä on selkeät ulkoiset merkit. Siten mosaiikkinekroosi on yleinen virus Y-infektion ilmentymä, ja lehtien käpristymisviruksen esiintyminen voidaan määrittää lehtien tyypillisen muodonmuutoksen perusteella.
Mutta on monia viruksia, jotka eivät ilmene fenotyyppisesti, vaikka ne voivat myös vaikuttaa satoon. Niitä löydetään harvoin, mutta vain siksi, että niitä ei etsitä.
Esimerkkinä voin mainita kollegoiden työn All-Russian Research Institute of Plant Protectionista (VIZR). Vuonna 2019 he julkaisivat artikkelin perunaviruksen P löydöstä Venäjältä. Aikaisemmin uskottiin, että sitä levitettiin yksinomaan Etelä-Amerikassa.
Kysymys kuuluu, mitä me löydämme, jos emme katso "katuvalon alle", missä on valoa, vaan sinne, missä emme ole vielä katsoneet.
– Missä teet tutkimuksesi?
M.L.: Avustusehtojen mukaan hanke kestää kaksi vuotta. Viime vuonna teimme yhteistyötä Tulan seudun perunatilan kanssa, keräsimme materiaalia, työskentelimme eri lajikkeiden ja jäljennösten kanssa. Tänä vuonna menemme muille alueille katsomaan mitä viruksia sieltä löytyy.
Tutkimuksen tulokset kootaan yhteen vuonna 2025, ja niistä kerromme varmasti venäläisille perunanviljelijöille.