"Genoma rediģēšanas metodei nevajadzētu būt pretstatā tradicionālajām atlases metodēm. “Tas ir drīzāk jauns instruments,” uzsver augu stresa noturības laboratorijas vadītāja Viskrievijas Lauksaimniecības biotehnoloģijas pētniecības institūts (VNIISB) Vasilijs Taranovs. – Kādreiz ķirurgi veica operācijas ar nazi, tad parādījās skalpeļi, tad lāzeri. Operācijai kļuva pieejamas pilnīgi dažādas iespējas. Tātad gēnu inženierija piedāvā rīku, ar kuru jūs varat kaut ko ņemt un uzlabot, bet tas neatceļ vai neaizstāj visu, kas tika izmantots iepriekš.
Viskrievijas Lauksaimniecības biotehnoloģijas pētniecības institūtā (VNIISB) darbojas augu stresa rezistences laboratorija, kuras darbs notiek divos galvenajos virzienos: gēnu meklēšana, kas nosaka augu rezistenci pret abiotisko un biotisko stresu, un genoma rediģēšana. kultivētajiem augiem, lai palielinātu to izturību pret stresu. Zinātnieku pētniecības jomā ietilpst kartupeļi un atklātas zemes dārzeņi.
Ar laboratorijas vadītāju Vasīliju Taranovu un vecāko pētnieci Marinu Ļebedevu runājam par to, kādas ir jaunāko tehnoloģiju īpašības un priekšrocības, kādus rezultātus tās var sasniegt un kādu Krievijas lauksaimniecības ražotāju problēmu risināšanai tās izmanto laboratorijas zinātnieki.
– Šodien daudz tiek runāts par nepieciešamību paātrināt atlases procesu. Tiek uzskatīts, ka genoma rediģēšanas metode ļauj to izdarīt. Tā ir patiesība?
V.T.: Pareizāk būtu teikt, ka biotehnoloģiskās metodes palīdz ne tik daudz paātrināt atlasi, cik paplašināt zinātnieku iespējas. Šķirnes apstrādes process joprojām ir diezgan ilgs, jo mēs runājam par augiem, kuriem ir noteikts dzīves cikls.
Taču speciālistiem kļūst iespējams iegūt rezultātus, kurus būtu ārkārtīgi grūti (ja ne neiespējami) sasniegt, izmantojot tradicionālās audzēšanas metodes.
Ar genoma rediģēšanas palīdzību varam mērķtiecīgi ieviest mutāciju, kas tieši ietekmē kādu specifisku šķirnes īpašību, pārējo ekonomiski vērtīgo pazīmju kompleksu saglabājot nemainīgu.
M.L.: Iedomājieties, ka mēs vēlamies ieviest savvaļas kartupeļu rezistences gēnu mūsu kultivētajā šķirnē, izmantojot tradicionālās audzēšanas metodes. Lai to izdarītu, selekcionārs veic virkni “mežonīgo” krustojumu ar noteiktām kultūras līnijām. Problēma ir tā, ka līdz ar rezistences gēnu šķirnei tiek pārnesti arī visi pārējie “savvaļas” gēni, kas visbiežāk ir ārkārtīgi nevēlami. Gēnu inženierija ļauj paņemt/mainīt tikai vienu vēlamo gēnu.
– Pastāv viedoklis, ka, neskatoties uz to, ka genoma rediģēšanas metode ir zināma apmēram 10 gadus, tā vēl nav devusi manāmus komerciālus rezultātus.
V.T.: Tā nav gluži taisnība. Pasaules vadošās selekcijas kompānijas izmanto genoma rediģēšanu un to neslēpj. Bet mēs nezinām, ko tieši viņi dara un kādus rezultātus viņi gūst.
Sasniegumi netiek reklamēti, jo laist tirgū augu, kas apstrādāts ar gēnu inženierijas metodēm, ir dārgāk nekā tradicionāli iegūto. Un dažreiz to vienkārši nav iespējams izdarīt.
Tajā pašā laikā ir ļoti grūti pierādīt, ka genoma rediģēšana tika izmantota, lai izveidotu konkrētu šķirni, izmantojot esošās metodes.
Testa laikā speciālisti meklēs marķieru secību organisma genomā, ja tā būs, augs tiks atzīts par ģenētiski modificētu. Bet ar genoma rediģēšanu nekas netiek ievadīts genomā, tāpēc neko nevar atrast.
Izmaiņas bieži skar ne tikai vienu gēnu, bet konkrētu vietu gēnā, burtiski vienu nukleotīdu, vienu burtu. Un atlikušie miljardi vēstuļu paliek tādi, kādi tie bija. Lai noteiktu, vai augs ir rediģēts, jums faktiski ir jāizlasa viss tā genoms ar pārklājumu, kas desmit reizes pārsniedz standarta, lai novērstu kļūdu. Neviens neveiks tik apjomīgu un ļoti dārgu analīzi, un selekcionārs vienmēr var teikt, ka augu ieguvis, izmantojot mutaģenēzi vai tradicionālo selekciju.
– M.L.: Genoma rediģēšana kopumā un jo īpaši šo tehnoloģiju izmantošanas pieredze uz augiem ir diezgan nesens stāsts.
Ne tikai tāpēc, ka, lai mainītu funkciju, jums jāzina, ko tieši un kā to rediģēt. Augu īpašības nosaka gēni, visbiežāk gēnu kopums, no kuriem jāizvēlas piemēroti mērķi rediģēšanai. Bet, lai noskaidrotu konkrētu gēnu funkcijas un regulējumu, kas veicina interesējošās iezīmes, ir nepieciešami sarežģīti un bieži vien ilgstoši pētījumi. Salīdzinot ar dzīvniekiem un cilvēkiem, mēs varam teikt, ka mēs ļoti labi nezinām daudzus augu īpašību molekulāros mehānismus (piemēram, rezistenci, produktivitāti utt.). Tajā pašā laikā augu genomi ir lielāki un sarežģītāki, kas nemaz nevienkāršo uzdevumu. Tomēr daudz kas jau ir zināms, veicot fundamentālos pētījumus augu bioloģijā, un, jo vairāk mēs to saprotam, jo vairāk palielinās mūsu modifikācijas iespējas.
Turklāt mēs runājam par metodi, kas ļauj koriģēt noteiktas īpašības, bet ne ieviest tirgū jaunas šķirnes, kuru darbs, neskatoties uz zināmu paātrinājumu, joprojām prasa gadiem.
– Vai biotehnologi veic gēnu rediģēšanu? Kā viņi nosaka faktisko darba virzienu (rediģēšanas mērķi)?
V.T.: Biotehnologam jāstrādā tandēmā ar veiksmīgu izvēlētās kultūras selekcionāru un ideālā gadījumā jāiesaista citi speciālisti. Selekcionārs kopā ar zemniekiem izvirza uzdevumu, selekcionārs palīdz atlasīt piemērotus genotipus. Mēs savukārt konsultējamies ar bioķīmiķiem un ģenētiķiem, domājam, ko uz šī pamata varam piedāvāt (ne vienmēr no bioloģiskā viedokļa ir pietiekami izpētītas nepieciešamās īpašības). Mēs skatāmies, ko mēs reāli varam izdarīt, veicam savu darba posmu, atdodam iegūto līniju selekcionāram, un selekcionārs nes rezultātu šķirnei.
- Vai genoma rediģēšana ir dārga tehnoloģija?
V.T.: Auga iegūšanas izmaksas ir atkarīgas no ražas un no tā, vai iegūtais augs ir rediģēts vai transgēns.
Ja runājam par iekārtām, tad uzņēmumam, kas jau nodarbojas ar bezvīrusu materiāla iegūšanu un mikroklonēšanu, genoma rediģēšanas iekārtu un reaģentu iegāde izmaksās salīdzinoši niecīgu summu. Šķērslis šāda darba uzsākšanai var būt nevis milzīgais investīciju apjoms, bet gan kvalificēta personāla trūkums. Ir ļoti maz cilvēku, kas var uzņemties un veikt tik specializētu uzdevumu.
Un, atgriežoties pie izmaksām: tehnoloģiskais progress šajā jomā ir ļoti ātrs. Genoma rediģēšanas metodes, teiksim, 2012. gadā, kad tika atklāta CRISPR/Cas9 (augstāku organismu genomu rediģēšanas tehnoloģija, kuras pamatā ir baktēriju imūnsistēma), un tas, kas mums ir tagad, ļoti atšķiras. Darbības efektivitāte gadu no gada palielinās, un izmaksas samazinās.
M.L.: To var salīdzināt ar cilvēka genoma sekvencēšanas projektu. Pirmo cilvēka genomu starptautisks konsorcijs sekvencēja 10 gadus par 2.7 miljardiem dolāru vienkārši tāpēc, ka šādas tehnoloģijas bija pieejamas 90. gados. Pašlaik pilnīga cilvēka genoma sekvencēšana maksā mazāk nekā 1000 USD un aizņem pāris dienas.
– Turpināsim runāt par jūsu laboratoriju, vai tā ir vērsta uz fundamentālo zinātni vai lietišķajiem pētījumiem?
V.T.: Mēs cenšamies darīt abus. Sākotnēji prioritāte tika dota fundamentālām lietām, bet tagad mēs cenšamies savus izstrādnes pielietot praksē.
Šobrīd, piemēram, pētām kartupeļu rezistences mehānismus pret vīrusu Y. Tas ir liels fundamentāls darbs, taču, ja izdosies, rezultāts būs ļoti interesants izturīgo šķirņu selekcijai.
M.L.: Fundamentālā un lietišķā zinātne ir cieši saistītas, viena nevar pastāvēt bez otra. Ja mēs nezinām, kā vīruss mijiedarbojas ar augu, ar kādiem konkrētiem proteīniem, mēs nevarēsim tos mainīt, lai augs būtu izturīgs.
Mēs veicam Y vīrusa pētījumus kopš 2018. gada un šobrīd tuvojamies tam, ka tuvāko pāris gadu laikā iegūsim rezistences formulu un nākotnē nepieciešamo praktisko rezultātu: kartupeļu augs nesintezēs vīrusu proteīnus, tas būs izturīgs pret vīrusu.
– Vai jūs sadarbojaties ar Krievijas audzēšanas uzņēmumiem/selekcionāriem?
V.T.: Kartupeļu jomā mēs strādājam ar jauno selekcionāru Mariju Poļakovu, aktīvi komunicējam ar Kartupeļu savienības ekspertiem un uzturam kontaktus ar vārdā nosaukto Kartupeļu federālo pētniecības centru. A.G. Lorja. Runājot par kāpostiem, mēs sazināmies ar Krievijas Valsts agrārās universitātes-Maskavas lauksaimniecības akadēmijas selekcionāriem un sēklaudzētājiem. K.A. Timirjazevs Grigorijs un Sokrats Monahos. Un tajā, ko mēs darām šajā jomā, mēs pilnībā vadāmies pēc tiem.
– Un atkal par vīrusiem. Marina Valerievna, jūsu zinātnisko interešu lokā ietilpst ne tikai vīruss Y. 2023. gadā saņēmāt Krievijas Zinātnes fonda grantu, lai veiktu pētījumus par projektu “Kultivēto kartupeļu (Solanum tuberosum L.) viromu izpēte, izmantojot augstas caurlaidspējas sekvencēšanas metodes. Kāpēc šī tēma ir interesanta?
M.L.: Kartupeļi vairāk nekā daudzi citi augi cieš no vīrusu slimībām, jo tos pavairo veģetatīvi. Vīrusi uzkrājas bumbuļos un tiek nodoti nākamajām paaudzēm, tāpēc vīrusu slodze nepārtraukti pieaug. Kad viņi saka, ka kartupeļi deģenerējas, mēs runājam tieši par to.
Vīrusi nav inertas sistēmas; tie aktīvi mijiedarbojas gan ar saimniekaugu, gan viens ar otru. Ir gadījumi, kad augs, kas jau ir slims ar vienu konkrētu vīrusu, nevar inficēties ar citu. Un ir vīrusi, kas nevar inficēt augu vieni, tie darbojas tikai sadarbībā ar citiem vīrusiem. Pavisam nesen tika publicēts darbs, kurā aprakstītas vīrusu formas, kas palīdz augiem pārdzīvot sausumu. Tāda negaidīta pāreja no parazītisma uz savstarpējo attieksmi.
Nav efektīvu ķimikāliju, lai cīnītos pret kartupeļu vīrusu slimībām. Tās veselības uzlabošanai ir izstrādātas diezgan sarežģītas un, galvenais, dārgas metodes: ar in vitro kultivēšanu, iegūstot mikrobumbuļus. Bet rezultāts saglabājas tikai dažas paaudzes. Lai rastu citus risinājumus, nepieciešams sīkāk izpētīt vīrusu īpašības, tāpēc pētījums ir ļoti, ļoti aktuāls.
– GOST 33996-2016 “Sēklas kartupeļi. Kvalitātes noteikšanas tehniskie nosacījumi un metodes" uzskaitīti pieci vīrusi (PVK - X kartupeļu vīruss; SBK - S kartupeļu vīruss; MVK - M kartupeļu vīruss; YBK - Y kartupeļu vīruss; VSLK - lapu čokurošanās vīruss kartupelis) un viens viroīds (PSTV – kartupeļu vārpstveida bumbuļu viroīds). Vai jūs pievērsīsities viņiem?
M.L.: Mana projekta mērķis ir izmantot augstas caurlaidības metodes, lai izpētītu tos viromus (vīrusu kolekcijas), kas atrodas uz kartupeļiem Krievijā. Tas ir interesanti gan no tā, kādi dažādu vīrusu kompleksi atrodami uz viena auga, gan no šo vīrusu izplatības viedokļa.
Kopumā pasaulē ir zināmi vairāk nekā 50 uz kartupeļiem atrastie vīrusi. Tie, kas uzskaitīti GOST, ir vieni no visbīstamākajiem, turklāt tiem ir skaidras ārējās pazīmes. Tādējādi mozaīkas nekroze ir izplatīta vīrusa Y infekcijas izpausme, un lapu čokurošanās vīrusa klātbūtni var noteikt pēc raksturīgās lapu lāpstiņu deformācijas.
Bet ir daudz vīrusu, kas neizpaužas fenotipiski, lai gan tie var arī ietekmēt ražu. Tās tiek atklātas reti, bet tikai tāpēc, ka tās netiek meklētas.
Kā piemēru varu minēt kolēģu darbu no Viskrievijas Augu aizsardzības pētniecības institūta (VIZR). 2019. gadā viņi publicēja rakstu par kartupeļu vīrusa P atklāšanu Krievijā. Iepriekš tika uzskatīts, ka tas tika izplatīts tikai Dienvidamerikā.
Jautājums ir, ko mēs atklāsim, ja skatīsimies nevis “zem gaismas”, kur ir gaišs, bet gan tur, kur mēs vēl neesam skatījušies.
– Kur jūs veiksit pētījumu?
M.L.: Saskaņā ar granta nosacījumiem projekts ilgs divus gadus. Pagājušajā gadā sadarbojāmies ar Tulas reģiona kartupeļu fermu, vācām materiālu, strādājām ar dažādām šķirnēm un reprodukcijām. Šogad dosimies uz citiem reģioniem un skatīsimies, kādi vīrusi tur atrodami.
Pētījuma rezultāti tiks apkopoti 2025. gadā, un par tiem noteikti pastāstīsim Krievijas kartupeļu audzētājiem.