„Genomo redagavimo metodas neturėtų būti priešinamas tradiciniams atrankos metodams. „Tai gana nauja priemonė“, – pabrėžia Augalų atsparumo stresui laboratorijos vadovas Visos Rusijos žemės ūkio biotechnologijos tyrimų institutas (VNIISB) Vasilijus Taranovas. – Kadaise chirurgai operacijas darydavo peiliu, tada jų atsirado skalpeliai, paskui lazeriai. Operacijai tapo prieinamos visiškai skirtingos galimybės. Taigi genų inžinerija siūlo įrankį, su kuriuo galite imtis ir ką nors patobulinti, tačiau ji nepanaikina ir nepakeičia visko, kas buvo naudojama anksčiau.
Visos Rusijos žemės ūkio biotechnologijos tyrimų institute (VNIISB) veikia augalų atsparumo stresui laboratorija, kurios darbas vykdomas dviem pagrindinėmis kryptimis: genų, lemiančių augalų atsparumą abiotiniam ir biotiniam stresui, paieška ir genomo redagavimas. kultūrinių augalų, siekiant padidinti jų atsparumą stresui. Mokslininkų tyrimų sritis – bulvės ir atviros žemės daržovės.
Su laboratorijos vadovu Vasilijumi Taranovu ir vyresniąja mokslo darbuotoja Marina Lebedeva kalbamės apie tai, kokios yra naujausių technologijų savybės ir pranašumai, kokius rezultatus jomis galima pasiekti ir kokias Rusijos žemės ūkio gamintojų problemas sprendžia laboratorijos mokslininkai.
– Šiandien daug kalbama apie būtinybę paspartinti atrankos procesą. Manoma, kad genomo redagavimo metodas leidžia tai padaryti. Tai yra tiesa?
V.T.: Teisingiau būtų sakyti, kad biotechnologiniai metodai padeda ne tiek paspartinti atranką, kiek praplėsti mokslininkų galimybes. Darbo su veisle procesas vis dar išlieka gana ilgas, nes mes kalbame apie augalus, kurių gyvavimo ciklas yra tam tikras.
Tačiau specialistams tampa įmanoma pasiekti tokių rezultatų, kuriuos būtų labai sunku (jei neįmanoma) pasiekti naudojant tradicinius veisimo metodus.
Genominio redagavimo pagalba galime tikslingai įvesti mutaciją, kuri tiesiogiai veikia specifinę veislės savybę, išlaikant likusį ekonomiškai vertingų požymių kompleksą nepakitusią.
M.L.: Įsivaizduokite, kad tradiciniais veisimo būdais norime į savo auginamą veislę įtraukti laukinės bulvės atsparumo geną. Norėdami tai padaryti, selekcininkas atlieka daugybę „laukinių“ kryžių su tam tikromis kultūrinėmis linijomis. Problema ta, kad kartu su atsparumo genu į veislę perduodami ir visi kiti „laukiniai“ genai, o tai dažniausiai yra labai nepageidautina. Genų inžinerija leidžia paimti/pakeisti tik vieną norimą geną.
– Egzistuoja požiūris, kad nepaisant to, kad genomo redagavimo metodas žinomas apie 10 metų, jis dar nedavė pastebimų komercinių rezultatų.
V.T.: Tai nėra visiškai tiesa. Pasaulyje pirmaujančios veislininkystės įmonės naudoja genomo redagavimą ir to neslepia. Tačiau mes nežinome, ką tiksliai jie daro ir kokių rezultatų jie pasiekia.
Pasiekimai nereklamuojami, nes pateikti į rinką augalą, kuris buvo apdorotas genų inžinerijos metodais, kainuoja brangiau nei gautą tradiciškai. O kartais to padaryti tiesiog neįmanoma.
Tuo pačiu metu labai sunku įrodyti, kad genomo redagavimas buvo naudojamas kuriant tam tikrą veislę naudojant esamus metodus.
Tyrimo metu specialistai organizmo genome ieškos žymenų sekos, jei jos yra, augalas bus pripažintas genetiškai modifikuotu. Tačiau naudojant genomo redagavimą, į genomą niekas neįvedamas, todėl nieko negalima rasti.
Pokyčiai dažnai paliečia ne vieną geną, o konkrečią geno vietą, tiesiogine prasme vieną nukleotidą, vieną raidę. O likę milijardai laiškų lieka tokie, kokie buvo. Norėdami nustatyti, ar augalas buvo redaguotas, turite iš tikrųjų perskaityti visą jo genomą, kurio aprėptis yra dešimt kartų didesnė nei standartinė, kad pašalintumėte klaidą. Tokios didelės ir labai brangios analizės niekas neatliks, o selekcininkas visada gali pasakyti, kad augalą jis gavo taikydamas mutagenezę arba tradicinę selekciją.
– M.L.: Genomo redagavimas apskritai, o ypač šių technologijų panaudojimo augalams patirtis – gana nesena istorija.
Ne mažiau svarbu dėl to, kad norėdami pakeisti funkciją, turite žinoti, ką tiksliai ir kaip ją redaguoti. Augalų požymius lemia genai, dažniausiai genų rinkinys, iš kurių reikia parinkti tinkamus taikinius redaguoti. Tačiau norint išsiaiškinti konkrečių genų, prisidedančių prie dominančių bruožų, funkcijas ir reguliavimą, reikia sudėtingų ir dažnai ilgų tyrimų. Palyginus su gyvūnais ir žmonėmis, galime pasakyti, kad mes nelabai gerai išmanome daugelį augalų savybių molekulinių mechanizmų (pavyzdžiui, atsparumo, produktyvumo ir kt.). Tuo pačiu metu augalų genomai yra didesni ir sudėtingesni, o tai visai nesupaprastina užduoties. Tačiau daug kas jau žinoma atliekant fundamentinius augalų biologijos tyrimus, ir kuo geriau tai suprantame, tuo labiau didėja mūsų modifikacijų galimybės.
Be to, mes kalbame apie metodą, leidžiantį pakoreguoti tam tikras savybes, bet neįvesti į rinką naujų veislių, kurių darbas, nepaisant tam tikro pagreičio, vis dar trunka ne vienerius metus.
– Ar biotechnologai atlieka genų redagavimą? Kaip jie nustato tikrąją kūrinio kryptį (redagavimo tikslą)?
V.T.: Biotechnologas turi dirbti kartu su sėkmingu pasirinktos kultūros augintoju ir, idealiu atveju, įtraukti kitus specialistus. Veisėjas kartu su ūkininkais iškelia užduotį, selekcininkas padeda parinkti tinkamus genotipus. Mes, savo ruožtu, konsultuojamės su biochemikais ir genetikais, galvojame, ką tuo pagrindu galime pasiūlyti (ne visada reikiamos savybės yra pakankamai ištirtos biologiniu požiūriu). Mes žiūrime, ką iš tikrųjų galime padaryti, atliekame savo darbo etapą, grąžiname gautą liniją selekcininkui, o selekcininkas atneša rezultatą į veislę.
- Ar genomo redagavimas yra brangi technologija?
V.T.: Augalo gavimo kaina priklauso nuo derliaus ir nuo to, ar gautas augalas yra redaguotas, ar transgeninis.
Jei kalbėsime apie įrangą, tai įmonei, kuri jau užsiima medžiagų be virusų gavimu ir mikroklonavimu, genomo redagavimo įrangos ir reagentų įsigijimas kainuos palyginti nedaug. Kliūtis pradėti tokius darbus gali būti ne didžiulės investicijos, o kvalifikuoto personalo trūkumas. Yra labai mažai žmonių, galinčių imtis ir atlikti tokią specializuotą užduotį.
Ir grįžtant prie išlaidų: technologijų pažanga šioje srityje yra labai greita. Genomo redagavimo metodai, tarkime, 2012 m., kai buvo atrasta CRISPR/Cas9 (aukštesniųjų organizmų genomų redagavimo technologija, paremta bakterijų imunine sistema), ir tai, ką turime dabar, labai skiriasi. Kasmet didėja veiklos efektyvumas, mažėja sąnaudos.
M.L.: Tai galima palyginti su žmogaus genomo sekos nustatymo projektu. Pirmąjį žmogaus genomą sekvenavo tarptautinis konsorciumas 10 metų už 2.7 milijardo dolerių vien todėl, kad tokios technologijos buvo prieinamos devintajame dešimtmetyje. Šiuo metu viso žmogaus genomo sekos nustatymas kainuoja mažiau nei 90 USD ir trunka porą dienų.
– Pereikime prie kalbų apie jūsų laboratoriją, ar ji orientuota į fundamentinį mokslą ar taikomuosius tyrimus?
V.T.: Stengiamės daryti abu. Iš pradžių pirmenybė buvo teikiama esminiams dalykams, bet dabar mes stengiamės pritaikyti savo tobulinimus praktikoje.
Šiuo metu, pavyzdžiui, tiriame bulvių atsparumo virusui Y mechanizmus. Tai labai daug fundamentalaus darbo, tačiau pasisekus rezultatas bus labai įdomus atsparių veislių atrankai.
M.L.: Fundamentalus ir taikomasis mokslas yra glaudžiai tarpusavyje susiję, vienas negali egzistuoti be kito. Jei nežinome, kaip virusas sąveikauja su augalu, su kokiais konkrečiais baltymais, negalėsime jų pakeisti, kad augalas būtų atsparus.
Viruso Y tyrimus atliekame nuo 2018 m., o dabar artėjame prie to, kad per artimiausius porą metų gausime atsparumo formulę, o ateityje ir reikiamą praktinį rezultatą: bulvių augalas nesintetins virusinių baltymų, bus atsparus virusui.
– Ar bendradarbiaujate su Rusijos veislininkystės įmonėmis/veisėjais?
V.T.: Dėl bulvių dirbame su jauna veisėja Maria Polyakova, aktyviai bendraujame su Bulvių sąjungos ekspertais, palaikome ryšius su Bulvių federaliniu tyrimų centru, pavadintu Bulvių vardu. A.G. Lorja. Kalbant apie kopūstus, bendraujame su Rusijos valstybinio agrarinio universiteto-Maskvos žemės ūkio akademijos selekcininkais ir sėklų augintojais. K.A. Timiriazevas Grigorijus ir Sokratas Monachas. Ir tuo, ką darome šioje srityje, visiškai jais vadovaujamės.
– Ir vėl apie virusus. Marina Valerievna, jūsų mokslinių interesų sritis apima ne tik virusą Y. 2023 m. gavote Rusijos mokslo fondo dotaciją projekto „Kultūrinių bulvių (Solanum tuberosum L.) viromų tyrimas naudojant didelio našumo sekos nustatymo metodus“ tyrimams atlikti. Kodėl ši tema įdomi?
M.L.: Bulvės dažniau nei daugelis kitų augalų kenčia nuo virusinių ligų, nes dauginamos vegetatyviniu būdu. Virusai kaupiasi gumbuose ir perduodami kitoms kartoms, todėl virusų kiekis nuolat auga. Kai sakoma, kad bulvės degeneruoja, mes būtent apie tai ir kalbame.
Virusai nėra inertiškos sistemos, jie aktyviai sąveikauja tiek su augalu šeimininku, tiek su vienas kitu. Pasitaiko atvejų, kai vienu konkrečiu virusu jau sergantis augalas negali užsikrėsti kitu. Ir yra virusų, kurie negali užkrėsti augalo vieni, jie veikia tik bendradarbiaudami su kitais virusais. Visai neseniai buvo paskelbtas darbas, kuriame aprašomos virusų formos, padedančios augalams išgyventi sausrą. Toks netikėtas perėjimas nuo parazitizmo prie abipusiškumo.
Nėra veiksmingų cheminių medžiagų, skirtų kovai su virusinėmis bulvių ligomis. Jo sveikatai pagerinti buvo sukurti gana sudėtingi ir, svarbiausia, brangūs metodai: naudojant in vitro kultūrą, gauti mikrostiebagumbius. Tačiau rezultatas išlieka tik keletą kartų. Norint rasti kitų sprendimų, reikia išsamiau išstudijuoti virusų savybes, todėl tyrimas yra labai labai aktualus.
– GOST 33996-2016 „Sėklinės bulvės. Kokybės nustatymo techninės sąlygos ir metodai" išvardinti penki virusai (PVK - X bulvių virusas; SBK - S bulvių virusas; MVK - M bulvių virusas; YBK - Y bulvių virusas; VSLK - lapų garbanos virusas bulvių) ir vienas viroidas (PSTV – bulvių verpstės gumbų viroidas). Ar sutelksite dėmesį į juos?
M.L.: Mano projektu siekiama naudoti didelio našumo metodus tiriant tuos viromus (virusų kolekcijas), kurie yra ant bulvių Rusijoje. Tai įdomu tiek iš to, kokie skirtingų virusų kompleksai randami viename augale, tiek iš šių virusų paplitimo.
Iš viso pasaulyje žinoma daugiau nei 50 virusų, aptinkamų ant bulvių. Tie, kurie išvardyti GOST, yra vieni pavojingiausių, be to, jie turi aiškius išorinius požymius. Taigi, mozaikinė nekrozė yra dažnas viruso Y infekcijos pasireiškimas, o lapų garbanojimo viruso buvimą galima nustatyti pagal būdingą lapų ašmenų deformaciją.
Tačiau yra daug virusų, kurie nepasireiškia fenotipiškai, nors gali turėti įtakos ir pasėliui. Jie retai atrandami, bet tik todėl, kad jų neieškoma.
Kaip pavyzdį galiu pateikti kolegų iš Visos Rusijos augalų apsaugos tyrimų instituto (VIZR) darbą. 2019 metais jie paskelbė straipsnį apie bulvių viruso P atradimą Rusijoje. Anksčiau buvo manoma, kad jis platinamas tik Pietų Amerikoje.
Klausimas, ką atrasime, jei žiūrėsime ne „po gatvės šviesą“, kur šviesu, o ten, kur dar nežiūrėjome.
– Kur atliksite tyrimą?
M.L.: Pagal dotacijos sąlygas projektas truks dvejus metus. Pernai bendradarbiavome su Tulos regiono bulvių ūkiu, rinkome medžiagą, dirbome su įvairiomis veislėmis ir reprodukcijomis. Šiemet važiuosime į kitus regionus ir žiūrėsime, kokių virusų ten randama.
Tyrimo rezultatai bus apibendrinti 2025 metais, apie juos būtinai papasakosime Rusijos bulvių augintojams.