„Метод уређивања генома не би требало да се супротставља традиционалним методама селекције. „Ово је прилично нов алат“, наглашава шеф лабораторије за отпорност биљака на стрес Сверуски истраживачки институт за пољопривредну биотехнологију (ВНИИСБ) Василиј Таранов. – Некада су хирурзи радили операције ножем, па су се појавили скалпеле, затим ласере. За операцију су постале доступне потпуно различите опције. Дакле, генетски инжењеринг нуди алат са којим можете узети и побољшати нешто, али не поништава или замењује све што је раније коришћено.”
Сверуски истраживачки институт за пољопривредну биотехнологију (ВНИИСБ) води лабораторију за отпорност биљака на стрес, чији се рад одвија у два главна правца: потрага за генима који одређују отпорност биљака на абиотички и биотички стрес и уређивање генома. гајених биљака у циљу повећања њихове отпорности на стрес. Подручје истраживања научника обухвата кромпир и поврће на отвореном.
О томе које су карактеристике и предности најновијих технологија, које резултате могу постићи и које проблеме руских пољопривредних произвођача користе лабораторијски научници, разговарамо са шефом лабораторије Василијем Тарановим и вишим истраживачем Марином Лебедевом.
– Данас се много говори о потреби да се убрза селекција. Верује се да метода уређивања генома то омогућава. Ово је истина?
В.Т.: Исправније би било рећи да биотехнолошке методе помажу не толико да се убрза селекција, колико да се прошире могућности научника. Процес рада на сорти и даље остаје прилично дуг, јер је реч о биљкама које имају одређени животни циклус.
Али за специјалисте постаје могуће да добију резултате које би било изузетно тешко (ако не и немогуће) постићи коришћењем традиционалних метода узгоја.
Уз помоћ геномског уређивања, можемо наменски увести мутацију која директно утиче на специфичну карактеристику сорте, а да остатак комплекса економски вредних особина задржи непромењеним.
М.Л.: Замислите да желимо да уведемо ген отпорности из дивљег кромпира у нашу култивисану сорту користећи традиционалне методе оплемењивања. Да би то урадио, узгајивач врши серију укрштања „дивљака“ са одређеним културним линијама. Проблем је у томе што се уз ген отпорности на сорту преносе и сви остали „дивљи“ гени, што је најчешће крајње непожељно. Генетски инжењеринг вам омогућава да узмете/промените само један жељени ген.
– Постоји становиште да упркос чињеници да је метода уређивања генома позната већ око 10 година, она још није дала запажене комерцијалне резултате.
В.Т.: Ово није сасвим тачно. Водеће светске компаније за узгој користе уређивање генома и не крију то. Али не знамо шта тачно раде и какве резултате добијају.
Достигнућа се не оглашавају јер је скупље изнети на тржиште биљку која је обрађена методама генетског инжењеринга од оне која је добијена традиционално. А понекад је то једноставно немогуће учинити.
Истовремено, веома је тешко доказати да је уређивање генома коришћено за стварање одређене сорте користећи постојеће методе.
Током теста, стручњаци ће тражити секвенцу маркера у геному организма, а ако је присутна, биљка ће бити препозната као генетски модификована. Али код геномског уређивања ништа се не уноси у геном, тако да се ништа не може наћи.
Промене често утичу не само на један ген, већ на одређено место у гену, буквално један нуклеотид, једно слово. А преостале милијарде писама остају онакве какве су биле. Да бисте утврдили да је биљка уређена, потребно је да прочитате цео њен геном, са покривеношћу десет пута већом од стандардне да бисте елиминисали грешку. Нико неће урадити тако обимну и веома скупу анализу, а одгајивач увек може да каже да је биљку добио мутагенезом или традиционалном селекцијом.
– М.Л.: Уређивање генома уопште, а посебно искуство коришћења ових технологија на биљкама, прилично је скорашња прича.
Не само зато што да бисте променили функцију, морате да знате шта тачно и како да је уредите. Биљне особине одређују гени, најчешће скуп гена, од којих се морају одабрати погодне мете за уређивање. Али разјашњавање функција и регулације специфичних гена који доприносе особинама од интереса захтева сложене и често дуготрајне студије. У поређењу са животињама и људима, можемо рећи да многе молекуларне механизме особина биљака (на пример, отпорност, продуктивност итд.) не познајемо добро. Истовремено, биљни геноми су већи и сложенији, што нимало не поједностављује задатак. Међутим, много је већ познато кроз основна истраживања у биљној биологији, и што више ово разумемо, то се више повећавају наше могућности за модификацију.
Поред тога, реч је о методи која омогућава исправљање одређених карактеристика, али не и увођење нових сорти на тржиште, рад на коме, упркос извесном убрзању, и даље траје годинама.
– Да ли се биотехнолози баве уређивањем гена? Како одређују стварни правац рада (сврха уређивања)?
В.Т.: Биотехнолог мора да ради у тандему са успешним узгајивачем изабране културе и, у идеалном случају, укључује друге специјализоване произвођаче. Узгајивач, заједно са фармерима, поставља задатак, узгајивач помаже у одабиру одговарајућих генотипова. Ми се, пак, консултујемо са биохемичарима и генетичарима, мислимо шта можемо да понудимо на основу тога (неопходне карактеристике нису увек довољно проучене са биолошке тачке гледишта). Гледамо шта заправо можемо да урадимо, извршимо своју фазу рада, вратимо добијену линију оплемењивачу, а одгајивач доноси резултат сорти.
- Да ли је уређивање генома скупа технологија?
В.Т.: Цена добијања биљке зависи од усева и од тога да ли је резултујућа биљка уређена или трансгена.
Ако говоримо о опреми, онда за компанију која се већ бави добијањем материјала без вируса и микроклонирањем, куповина опреме и реагенса за уређивање генома коштаће релативно мали износ. Препрека за почетак таквог посла можда није превелики износ улагања, већ недостатак квалификованог особља. Мало је људи који могу да преузму и изврше такав специјализовани задатак.
И да се вратимо на трошкове: технолошки напредак у овој области је веома брз. Методе уређивања генома, рецимо, 2012. године, када је откривен ЦРИСПР/Цас9 (технологија за уређивање генома виших организама, заснована на имунолошком систему бактерија), и оно што сада имамо су веома различите. Оперативна ефикасност расте из године у годину, а трошкови се смањују.
М.Л.: Ово се може упоредити са пројектом секвенцирања људског генома. Први људски геном је секвенцирао међународни конзорцијум током 10 година за 2.7 милијарди долара само зато што су такве технологије биле доступне 90-их година. Тренутно, секвенцирање комплетног људског генома кошта мање од 1000 долара и траје неколико дана.
– Хајде да пређемо на разговор о вашој лабораторији, да ли је фокусирана на фундаменталну науку или примењена истраживања?
В.Т.: Трудимо се да урадимо обоје. Првобитно је приоритет био дат фундаменталним стварима, али сада покушавамо да применимо наш развој у пракси.
Тренутно, на пример, проучавамо механизме отпорности кромпира на вирус И. Ово је много фундаменталног рада, али ако буде успешан, резултат ће бити веома интересантан за селекцију отпорних сорти.
М.Л.: Фундаментална и примењена наука су међусобно тесно повезане, једно без другог не може постојати. Ако не знамо како вирус ступа у интеракцију са биљком, са којим специфичним протеинима, нећемо моћи да их променимо да би биљка била отпорна.
Истраживања о вирусу И спроводимо од 2018. године и сада се приближавамо чињеници да ћемо у наредних неколико година добити формулу за отпорност, а у будућности и неопходан практични резултат: биљка кромпира неће синтетизовати вирусне протеине, већ биће отпоран на вирус.
– Да ли сарађујете са руским одгајивачима/узгајивачима?
В.Т.: На кромпиру радимо са младом узгајивачем Маријом Пољаковом, активно комуницирамо са стручњацима из Уније кромпира и одржавамо контакте са Савезним истраживачким центром за кромпир по имену. А.Г. Лорја. Што се тиче купуса, ми сарађујемо са узгајивачима и узгајивачима семена Руског државног аграрног универзитета-Московске пољопривредне академије по имену. К.А. Тимирјазев од Григорија и Сократа Монахоса. И у ономе што радимо у овој области, ми се у потпуности руководимо њима.
– И опет о вирусима. Марина Валериевна, ваш опсег научних интересовања укључује не само вирус Y. Године 2023. добили сте грант од Руске научне фондације за спровођење истраживања на пројекту „Проучавање вирома култивисаног кромпира (Соланум туберосум Л.) коришћењем високопропусних метода секвенцирања“. Зашто је ова тема интересантна?
М.Л.: Кромпир, у већој мери од многих других биљака, пати од вирусних болести, јер се размножава вегетативно. Вируси се акумулирају у кртолама и преносе на следеће генерације, па вирусно оптерећење стално расте. Када кажу да се кромпир дегенерише, управо о томе говоримо.
Вируси нису инертни системи; они активно ступају у интеракцију и са биљком домаћином и једни са другима. Постоје случајеви када биљка која је већ болесна са једним специфичним вирусом не може да се зарази другим. А постоје вируси који не могу сами да заразе биљку, делују само у сарадњи са другим вирусима. Недавно је објављен рад који описује облике вируса који помажу биљкама да преживе сушу. Такав неочекивани прелаз из паразитизма у мутуализам.
Не постоје ефикасне хемикалије за борбу против вирусних болести на кромпиру. Да би се побољшало његово здравље, развијене су прилично сложене и, што је најважније, скупе методе: кроз ин витро културу, добијање микротубера. Али резултат траје само неколико генерација. Да бисте пронашли друга решења, потребно је детаљније проучити карактеристике вируса, тако да је студија веома, веома релевантна.
– ГОСТ 33996-2016 „Сјеменски кромпир. Технички услови и методе за одређивање квалитета“ наводи се пет вируса (ПВК – Кс вирус кромпира; СБК – С вирус кромпира; МВК – М вирус кромпира; ИБК – И вирус кромпира; ВСЛК – вирус увијања листова кромпир) и један вироид (ПСТВ – вироид вретена кромпира). Хоћете ли се фокусирати на њих?
М.Л.: Мој пројекат има за циљ да користи методе високе пропусности за проучавање оних вирома (колекција вируса) који су присутни на кромпиру у Русији. Ово је занимљиво како са становишта тога који се комплекси различитих вируса налазе на једној биљци, тако и са становишта преваленције ових вируса.
Укупно је у свету познато више од 50 вируса који се налазе на кромпиру. Они који су наведени у ГОСТ-у су међу најопаснијим, а поред тога имају јасне спољне знакове. Дакле, мозаична некроза је уобичајена манифестација инфекције вирусом И, а присуство вируса увијања листа може се утврдити карактеристичном деформацијом листова листова.
Али постоји много вируса који се не манифестују фенотипски, иако могу утицати и на усев. Ретко се откривају, али само зато што се не траже.
Као пример могу навести рад колега са Сверуског истраживачког института за заштиту биља (ВИЗР). 2019. објавили су чланак о открићу вируса кромпира П у Русији. Раније се веровало да се дистрибуира искључиво у Јужној Америци.
Питање је шта ћемо открити ако не погледамо „испод уличне лампе“ где је светло, већ тамо где још нисмо гледали.
– Где ћете спроводити своје истраживање?
М.Л.: Према условима гранта, пројекат ће трајати две године. Прошле године смо сарађивали са фармом кромпира у региону Тула, сакупљали материјал, радили са различитим сортама и репродукцијама. Ове године ћемо отићи у друге регионе и видети који се вируси тамо налазе.
Резултати студије биће сумирани 2025. године, а о њима ћемо свакако рећи руским узгајивачима кромпира.