„Metóda úpravy genómu by nemala byť v rozpore s tradičnými metódami výberu. „Je to skôr nový nástroj,“ zdôrazňuje vedúci laboratória odolnosti rastlín voči stresu Všeruský výskumný ústav poľnohospodárskej biotechnológie (VNIISB) Vasilij Taranov. – Kedysi chirurgovia robili operácie nožom, potom sa objavili skalpely, potom lasery. Pre chirurgiu sa stali dostupné úplne iné možnosti. Genetické inžinierstvo teda ponúka nástroj, pomocou ktorého môžete niečo vziať a vylepšiť, ale nezruší ani nenahradí všetko, čo sa predtým používalo.“
Všeruský výskumný ústav poľnohospodárskej biotechnológie (VNIISB) prevádzkuje laboratórium pre odolnosť rastlín voči stresu, ktorého práca sa vykonáva v dvoch hlavných smeroch: hľadanie génov, ktoré určujú odolnosť rastlín voči abiotickému a biotickému stresu, a úprava genómu. pestovaných rastlín s cieľom zvýšiť ich odolnosť voči stresu. Oblasť výskumu vedcov zahŕňa zemiaky a zeleninu z voľnej pôdy.
Hovoríme s vedúcim laboratória Vasilijom Taranovom a vedúcou výskumníčkou Marina Lebedevovou o tom, aké sú vlastnosti a výhody najnovších technológií, aké výsledky môžu dosiahnuť a aké problémy ruských poľnohospodárskych výrobcov používajú laboratórni vedci na riešenie.
– Dnes sa veľa hovorí o potrebe urýchliť výberový proces. Predpokladá sa, že metóda úpravy genómu to umožňuje. Toto je pravda?
V.T.: Správnejšie by bolo povedať, že biotechnologické metódy nepomáhajú ani tak urýchliť výber, ako skôr rozšíriť schopnosti vedcov. Proces práce na odrode zostáva stále dosť zdĺhavý, keďže hovoríme o rastlinách, ktoré majú určitý životný cyklus.
Špecialisti však môžu dosiahnuť výsledky, ktoré by bolo mimoriadne ťažké (ak nie nemožné) dosiahnuť použitím tradičných šľachtiteľských metód.
Pomocou genomickej úpravy môžeme cielene zaviesť mutáciu, ktorá priamo ovplyvňuje špecifickú charakteristiku odrody, pričom zvyšok komplexu ekonomicky cenných znakov zostane nezmenený.
M.L.: Predstavte si, že chceme zaviesť gén rezistencie z divých zemiakov do našej pestovanej odrody pomocou tradičných šľachtiteľských metód. Na tento účel chovateľ vykonáva sériu krížení „divocha“ s určitými kultúrnymi líniami. Problémom je, že spolu s génom rezistencie sa do odrody prenášajú aj všetky ostatné „divoké“ gény, čo je najčastejšie extrémne nežiaduce. Genetické inžinierstvo vám umožňuje vziať/zmeniť iba jeden požadovaný gén.
– Existuje názor, že napriek tomu, že metóda úpravy genómu je známa asi 10 rokov, zatiaľ neprináša viditeľné komerčné výsledky.
V.T.: Nie je to celkom pravda. Popredné svetové chovateľské spoločnosti využívajú úpravu genómu a netaja sa tým. Ale nevieme, čo presne robia a aké výsledky majú.
Úspechy nie sú propagované, pretože je drahšie uviesť na trh rastlinu, ktorá bola spracovaná metódami genetického inžinierstva, ako rastlinu získanú tradičným spôsobom. A niekedy je to jednoducho nemožné.
Zároveň je veľmi ťažké dokázať, že úprava genómu bola použitá na vytvorenie konkrétnej odrody pomocou existujúcich metód.
Počas testu budú špecialisti hľadať markerovú sekvenciu v genóme organizmu, ak je prítomná, rastlina bude uznaná ako geneticky modifikovaná. Ale pri editovaní genómu sa do genómu nič nevnáša, takže sa nič nedá nájsť.
Zmeny často neovplyvnia len jeden gén, ale konkrétne miesto v géne, doslova jeden nukleotid, jedno písmeno. A zvyšné miliardy listov ostali tak, ako boli. Ak chcete zistiť, že rastlina bola upravená, musíte skutočne prečítať celý jej genóm s pokrytím desaťkrát vyšším ako štandard, aby ste eliminovali chyby. Nikto neurobí taký objemný a veľmi nákladný rozbor a šľachtiteľ môže vždy povedať, že rastlinu získal mutagenézou alebo tradičnou selekciou.
– M.L.: Úpravy genómu vo všeobecnosti a najmä skúsenosti s používaním týchto technológií na rastlinách sú pomerne nedávnym príbehom.
V neposlednom rade preto, že na zmenu funkcie potrebujete vedieť, čo presne a ako ju upraviť. Znaky rastlín určujú gény, najčastejšie súbor génov, z ktorých treba vybrať vhodné ciele na úpravu. Ale objasnenie funkcií a regulácie špecifických génov, ktoré prispievajú k požadovaným vlastnostiam, si vyžaduje zložité a často zdĺhavé štúdie. V porovnaní so zvieratami a ľuďmi môžeme povedať, že mnohé z molekulárnych mechanizmov vlastností rastlín (napríklad odolnosť, produktivita atď.) veľmi dobre nepoznáme. Rastlinné genómy sú zároveň väčšie a zložitejšie, čo úlohu vôbec nezjednodušuje. Základným výskumom v biológii rastlín je však už známe veľa a čím viac tomu rozumieme, tým viac sa zvyšujú naše možnosti modifikácie.
Okrem toho hovoríme o metóde, ktorá umožňuje korigovať určité vlastnosti, ale nie uvádzať na trh nové odrody, práca na ktorej napriek určitému zrýchleniu trvá ešte roky.
– Upravujú gény biotechnológovia? Ako určujú skutočný smer práce (účel úpravy)?
V.T.: Biotechnológ musí pracovať v tandeme s úspešným šľachtiteľom vybranej plodiny a v ideálnom prípade zapojiť ďalších špecializovaných producentov. Chovateľ spolu s farmármi zadá úlohu, chovateľ pomáha vybrať vhodné genotypy. My zasa konzultujeme s biochemikmi a genetikmi, myslíme si, čo môžeme na tomto základe ponúknuť (nie vždy sú potrebné charakteristiky z biologického hľadiska dostatočne preštudované). Pozrieme sa, čo vlastne dokážeme, zrealizujeme našu etapu práce, vrátime výslednú líniu šľachtiteľovi a šľachtiteľ prinesie výsledok k odrode.
- Je úprava genómu drahá technológia?
V.T.: Náklady na získanie rastliny závisia od plodiny a od toho, či je výsledná rastlina upravená alebo transgénna.
Ak hovoríme o vybavení, potom pre spoločnosť, ktorá sa už zaoberá získavaním materiálu bez vírusov a mikroklonovaním, bude nákup vybavenia a činidiel na úpravu genómu stáť relatívne malú sumu. Prekážkou začatia takýchto prác nemusí byť prevažná výška investícií, ale nedostatok kvalifikovaného personálu. Je len veľmi málo ľudí, ktorí môžu prevziať a vykonávať takú špecializovanú úlohu.
A vrátim sa k nákladom: technologický pokrok v tejto oblasti je veľmi rýchly. Metódy úpravy genómu, povedzme, v roku 2012, keď bol objavený CRISPR/Cas9 (technológia na úpravu genómov vyšších organizmov, založená na imunitnom systéme baktérií), a to, čo máme teraz, sú veľmi odlišné. Prevádzková efektivita sa z roka na rok zvyšuje a náklady sa znižujú.
M.L.: Dá sa to porovnať s projektom sekvenovania ľudského genómu. Prvý ľudský genóm sekvenovalo medzinárodné konzorcium 10 rokov za 2.7 miliardy dolárov jednoducho preto, že takéto technológie boli dostupné v 90. rokoch. V súčasnosti stojí sekvenovanie kompletného ľudského genómu menej ako 1000 XNUMX dolárov a trvá niekoľko dní.
– Prejdime k rozprávaniu o vašom laboratóriu, je zamerané na základnú vedu alebo aplikovaný výskum?
V.T.: Snažíme sa robiť oboje. Spočiatku sa uprednostňovali zásadné veci, no teraz sa snažíme náš vývoj aplikovať do praxe.
Momentálne napríklad študujeme mechanizmy rezistencie zemiakov voči vírusu Y. Je to veľa zásadnej práce, ale ak bude úspešná, výsledok bude veľmi zaujímavý pre výber odolných odrôd.
M.L.: Základná a aplikovaná veda sú úzko prepojené, jedna bez druhej nemôže existovať. Ak nevieme, ako vírus interaguje s rastlinou, s akými konkrétnymi proteínmi, nebudeme ich môcť zmeniť, aby bola rastlina odolná.
Výskum vírusu Y vykonávame od roku 2018 a teraz sa blížime k tomu, že v najbližších rokoch získame vzorec na odolnosť a v budúcnosti potrebný praktický výsledok: rastlina zemiaka nebude syntetizovať vírusové proteíny, ale bude odolný voči vírusu.
– Spolupracujete s ruskými chovateľskými spoločnosťami/chovateľmi?
V.T.: Na zemiakoch spolupracujeme s mladou šľachtiteľkou Mariou Polyakovou, aktívne komunikujeme s odborníkmi zo Zemiakovej únie a udržiavame kontakty s pomenovaným Federálnym výskumným centrom pre zemiaky. A.G. Lorja. Pokiaľ ide o kapustu, komunikujeme s chovateľmi a pestovateľmi semien Ruskej štátnej agrárnej univerzity-Moskovská poľnohospodárska akadémia pomenovaná po. K.A. Timiryazev od Grigorija a Sokrata Monachovcov. A v tom, čo v tejto oblasti robíme, sa nimi úplne riadime.
– A opäť o vírusoch. Marina Valerievna, medzi vaše vedecké záujmy patrí nielen vírus Y. V roku 2023 ste získali grant od Ruskej vedeckej nadácie na realizáciu výskumu projektu „Štúdium virómov pestovaných zemiakov (Solanum tuberosum L.) pomocou vysokovýkonných sekvenčných metód. Prečo je táto téma zaujímavá?
M.L.: Zemiaky vo väčšej miere ako mnohé iné rastliny trpia vírusovými chorobami, keďže sa rozmnožujú vegetatívne. Vírusy sa hromadia v hľuzách a prenášajú sa na ďalšie generácie, takže vírusová záťaž neustále rastie. Keď sa hovorí, že zemiaky degenerujú, je to presne to, o čom hovoríme.
Vírusy nie sú inertné systémy; aktívne interagujú s hostiteľskou rastlinou a navzájom. Existujú prípady, keď rastlina, ktorá je už chorá jedným špecifickým vírusom, sa nemôže infikovať iným. A existujú vírusy, ktoré nedokážu infikovať rastlinu samostatne, pôsobia len v spolupráci s inými vírusmi. Len nedávno bola publikovaná práca popisujúca formy vírusov, ktoré pomáhajú rastlinám prežiť sucho. Taký nečakaný prechod od parazitizmu k mutualizmu.
Neexistujú žiadne účinné chemikálie na boj proti vírusovým ochoreniam zemiakov. Na zlepšenie jej zdravotného stavu boli vyvinuté pomerne zložité a hlavne drahé metódy: kultiváciou in vitro, získavaním mikrohľúz. Výsledok však vydrží len niekoľko generácií. Ak chcete nájsť iné riešenia, musíte podrobnejšie študovať charakteristiky vírusov, takže štúdia je veľmi, veľmi relevantná.
– GOST 33996-2016 „Sadivové zemiaky. Technické podmienky a metódy stanovenia kvality" je uvedených päť vírusov (PVK - X zemiakový vírus; SBK - S zemiakový vírus; MVK - M zemiakový vírus; YBK - Y zemiakový vírus; VSLK - vírus kučeravosti listov zemiakový) a jeden viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Zameriate sa na ne?
M.L.: Môj projekt sa zameriava na použitie vysoko výkonných metód na štúdium tých virómov (zbierok vírusov), ktoré sú prítomné na zemiakoch v Rusku. Je to zaujímavé ako z pohľadu toho, aké komplexy rôznych vírusov sa nachádzajú na jednej rastline, tak aj z pohľadu prevalencie týchto vírusov.
Celkovo je vo svete známych viac ako 50 vírusov nachádzajúcich sa na zemiakoch. Tie, ktoré sú uvedené v GOST, patria medzi najnebezpečnejšie a navyše majú jasné vonkajšie znaky. Mozaiková nekróza je teda bežným prejavom infekcie vírusom Y a prítomnosť vírusu kučeravosti listov môže byť určená charakteristickou deformáciou listových čepelí.
Ale existuje veľa vírusov, ktoré sa neprejavujú fenotypovo, hoci môžu mať vplyv aj na úrodu. Objavujú sa len zriedka, ale len preto, že sa po nich nepátra.
Ako príklad môžem uviesť prácu kolegov z Celoruského výskumného ústavu ochrany rastlín (VIZR). V roku 2019 publikovali článok o objave zemiakového vírusu P v Rusku. Predtým sa verilo, že bol distribuovaný výlučne v Južnej Amerike.
Otázkou je, čo zistíme, ak sa nepozrieme „pod pouličnú lampu“ tam, kde je svetlo, ale tam, kde sme sa ešte nepozreli.
– Kde budete vykonávať svoj výskum?
M.L.: Podľa podmienok grantu bude projekt trvať dva roky. Minulý rok sme spolupracovali so zemiakovou farmou v regióne Tula, zbierali materiál, pracovali s rôznymi odrodami a reprodukciami. Tento rok pôjdeme do iných regiónov a uvidíme, aké vírusy sa tam nachádzajú.
Výsledky štúdie budú zhrnuté v roku 2025 a určite o nich povieme ruským pestovateľom zemiakov.