„Metody edycji genomu nie należy przeciwstawiać tradycyjnym metodom selekcji. „To raczej nowe narzędzie” – podkreśla kierownik laboratorium odporności roślin na stres Ogólnorosyjski Instytut Badawczy Biotechnologii Rolniczej (VNIISB) Wasilij Taranow. – Dawno, dawno temu chirurdzy wykonywali operacje nożem, potem się pojawili skalpele, potem lasery. W chirurgii dostępne stały się zupełnie inne możliwości. Inżynieria genetyczna oferuje więc narzędzie, za pomocą którego można coś wziąć i ulepszyć, ale nie anuluje ani nie zastąpi wszystkiego, co było wcześniej używane.
Ogólnorosyjski Instytut Badawczy Biotechnologii Rolniczej (VNIISB) prowadzi laboratorium odporności roślin na stres, którego praca przebiega w dwóch głównych kierunkach: poszukiwanie genów determinujących odporność roślin na stres abiotyczny i biotyczny oraz edycja genomu roślin uprawnych w celu zwiększenia ich odporności na stres. Obszar badań naukowców obejmuje ziemniaki i warzywa gruntowe.
Rozmawiamy z kierownikiem laboratorium Wasilijem Taranowem i starszą badaczką Mariną Lebiediewą o tym, jakie są cechy i zalety najnowszych technologii, jakie wyniki mogą osiągnąć i jakie problemy rosyjskich producentów rolnych wykorzystują do rozwiązania laboratoryjni naukowcy.
– Dziś dużo mówi się o konieczności przyspieszenia procesu selekcji. Uważa się, że pozwala na to metoda edycji genomu. To prawda?
V.T.: Bardziej słuszne byłoby stwierdzenie, że metody biotechnologiczne pomagają nie tyle przyspieszyć selekcję, ile poszerzyć możliwości naukowców. Proces pracy nad odmianą jest nadal dość długi, ponieważ mówimy o roślinach, które mają określony cykl życiowy.
Jednak dla specjalistów możliwe staje się uzyskanie wyników, które byłyby niezwykle trudne (jeśli nie niemożliwe) do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych metod hodowli.
Za pomocą edycji genomu możemy celowo wprowadzić mutację, która bezpośrednio wpływa na konkretną cechę odmiany, pozostawiając bez zmian resztę zespołu cech cennych ekonomicznie.
M.L.: Wyobraźmy sobie, że chcemy wprowadzić gen odporności z dzikiego ziemniaka do naszej odmiany uprawnej, stosując tradycyjne metody hodowli. Aby to zrobić, hodowca przeprowadza serię krzyżówek „dzikusa” z określonymi liniami kulturowymi. Problem w tym, że wraz z genem odporności na odmianę przechodzą wszystkie inne „dzikie” geny, co najczęściej jest skrajnie niepożądane. Inżynieria genetyczna pozwala na pobranie/zmianę tylko jednego pożądanego genu.
– Istnieje pogląd, że mimo że metoda edycji genomu jest znana od około 10 lat, nie przyniosła dotychczas zauważalnych efektów komercyjnych.
V.T.: Nie jest to do końca prawdą. Wiodące na świecie firmy hodowlane stosują edycję genomu i nie ukrywają tego. Nie wiemy jednak, czym dokładnie się zajmują i jakie osiągają rezultaty.
Osiągnięć nie reklamuje się, ponieważ wprowadzenie na rynek rośliny przetworzonej metodami inżynierii genetycznej jest droższe niż tej, która została uzyskana tradycyjnie. A czasami jest to po prostu niemożliwe.
Jednocześnie bardzo trudno jest wykazać, że do stworzenia konkretnej odmiany wykorzystano modyfikacje genomu przy wykorzystaniu istniejących metod.
W trakcie badania specjaliści będą szukać w genomie organizmu sekwencji markerowej, jeśli taka wystąpi, roślina zostanie uznana za genetycznie zmodyfikowaną. Ale w przypadku edycji genomu nic nie jest wprowadzane do genomu, więc nic nie można znaleźć.
Zmiany często dotyczą nie tylko jednego genu, ale konkretnego miejsca w genie, dosłownie jednego nukleotydu, jednej litery. A pozostałe miliardy liter pozostają takie, jakie były. Aby stwierdzić, że roślina została poddana edycji, należy faktycznie przeczytać cały jej genom, z pokryciem dziesięciokrotnie większym niż standardowy, aby wyeliminować błędy. Tak obszernej i bardzo kosztownej analizy nikt nie zrobi, a hodowca zawsze może powiedzieć, że uzyskał roślinę metodą mutagenezy lub tradycyjnej selekcji.
– M.L.: Ogólnie rzecz biorąc, edycja genomu, a zwłaszcza doświadczenia związane ze stosowaniem tych technologii na roślinach, to historia stosunkowo niedawna.
Między innymi dlatego, że aby zmienić funkcję, musisz wiedzieć, co dokładnie i jak ją edytować. O cechach roślin decydują geny, najczęściej zbiór genów, z których należy wybrać odpowiednie cele do edycji. Jednak wyjaśnienie funkcji i regulacji określonych genów, które przyczyniają się do powstania interesujących nas cech, wymaga skomplikowanych i często długotrwałych badań. W porównaniu ze zwierzętami i ludźmi możemy powiedzieć, że nie znamy zbyt dobrze wielu mechanizmów molekularnych cech roślin (np. odporności, produktywności itp.). Jednocześnie genomy roślin są większe i bardziej złożone, co wcale nie ułatwia zadania. Jednak wiele już wiadomo dzięki podstawowym badaniom z zakresu biologii roślin i im lepiej to rozumiemy, tym bardziej zwiększają się nasze możliwości modyfikacji.
Poza tym mówimy o metodzie, która pozwala skorygować pewne cechy, ale nie wprowadza na rynek nowych odmian, nad którymi praca, mimo pewnego przyspieszenia, wciąż zajmuje lata.
– Czy biotechnolodzy zajmują się edycją genów? Jak wyznaczają faktyczny kierunek pracy (cel redakcji)?
V.T.: Biotechnolog musi współpracować z odnoszącym sukcesy hodowcą wybranej rośliny, a najlepiej zaangażować innych wyspecjalizowanych producentów. Hodowca wraz z rolnikami wyznacza zadanie, hodowca pomaga w doborze odpowiednich genotypów. My z kolei konsultujemy się z biochemikami i genetykami, zastanawiamy się, co na tej podstawie możemy zaoferować (nie zawsze niezbędne cechy są wystarczająco zbadane z biologicznego punktu widzenia). Patrzymy, co faktycznie możemy zrobić, wykonujemy nasz etap pracy, zwracamy powstałą linię hodowcy, a hodowca przynosi wynik odmianie.
- Czy edycja genomu jest kosztowną technologią?
V.T.: Koszt pozyskania rośliny zależy od uprawy i tego, czy powstała roślina jest edytowana czy transgeniczna.
Jeśli mówimy o sprzęcie, to dla firmy, która zajmuje się już pozyskiwaniem materiału wolnego od wirusów i mikroklonowaniem, zakup sprzętu i odczynników do edycji genomu będzie kosztować stosunkowo niewielką kwotę. Przeszkodą w rozpoczęciu takiej pracy może nie być przytłaczająca ilość inwestycji, ale brak wykwalifikowanej kadry. Niewiele jest osób, które są w stanie podjąć się i wykonać tak specjalistyczne zadanie.
A wracając do kosztów: postęp technologiczny w tej dziedzinie jest bardzo szybki. Metody edycji genomu, powiedzmy, z 2012 roku, kiedy odkryto CRISPR/Cas9 (technologia edycji genomów organizmów wyższych, oparta na układzie odpornościowym bakterii), i to, co mamy teraz, są zupełnie inne. Efektywność operacyjna rośnie z roku na rok, a koszty maleją.
M.L.: Można to porównać do projektu sekwencjonowania ludzkiego genomu. Międzynarodowe konsorcjum zsekwencjonowało pierwszy ludzki genom przez 10 lat za 2.7 miliarda dolarów tylko dlatego, że takie technologie były dostępne w latach 90-tych. Obecnie sekwencjonowanie całego ludzkiego genomu kosztuje niecałe 1000 dolarów i zajmuje kilka dni.
– Przejdźmy do omówienia Twojego laboratorium, czy koncentruje się ono na naukach podstawowych, czy na badaniach stosowanych?
V.T.: Próbujemy robić jedno i drugie. Początkowo priorytetowo traktowane były sprawy podstawowe, ale teraz staramy się zastosować nasze osiągnięcia w praktyce.
W tej chwili badamy na przykład mechanizmy odporności ziemniaka na wirusa Y. To dużo fundamentalnej pracy, ale jeśli się powiedzie, wynik będzie bardzo interesujący dla selekcji odpornych odmian.
M.L.: Nauki podstawowe i stosowane są ze sobą ściśle powiązane; jedna nie może istnieć bez drugiej. Jeśli nie wiemy, w jaki sposób wirus oddziałuje z rośliną i z jakimi konkretnymi białkami, nie będziemy w stanie ich zmienić, aby uodpornić roślinę.
Badania nad wirusem Y prowadzimy od 2018 roku i zbliżamy się do tego, że w ciągu najbliższych kilku lat otrzymamy wzór na odporność, a w przyszłości niezbędny praktyczny wynik: ziemniak nie będzie syntetyzował białek wirusowych, będzie odporny na wirusa.
– Czy współpracujecie z rosyjskimi firmami hodowlanymi/hodowcami?
V.T.: W przypadku ziemniaków współpracujemy z młodą hodowczynią Marią Polyakovą, aktywnie komunikujemy się z ekspertami ze Związku Ziemniaczanego i utrzymujemy kontakty z Federalnym Centrum Badań nad Ziemniakami im. A.G. Lorja. Jeśli chodzi o kapustę, współpracujemy z hodowcami i plantatorami nasion Rosyjskiego Państwowego Uniwersytetu Rolniczego-Moskiewskiej Akademii Rolniczej im. K.A. Timiryazev – Grigorij i Sokrates Monachowie. I w tym, co robimy w tym obszarze, całkowicie się nimi kierujemy.
– I znowu o wirusach. Marina Valerievna, Twoje zainteresowania naukowe obejmują nie tylko wirusa Y. W 2023 roku otrzymałeś grant Rosyjskiej Fundacji Nauki na prowadzenie badań w ramach projektu „Badanie wiromów ziemniaków uprawnych (Solanum tuberosum L.) z wykorzystaniem wysokoprzepustowych metod sekwencjonowania”. Dlaczego ten temat jest interesujący?
M.L.: Ziemniaki w większym stopniu niż wiele innych roślin cierpią na choroby wirusowe, ponieważ rozmnażają się wegetatywnie. Wirusy gromadzą się w bulwach i przekazują kolejnym pokoleniom, przez co obciążenie wirusem cały czas rośnie. Kiedy mówią, że ziemniaki się degenerują, właśnie o tym mówimy.
Wirusy nie są układami obojętnymi; aktywnie oddziałują zarówno z rośliną żywicielską, jak i między sobą. Zdarzają się przypadki, gdy roślina, która jest już chora na jeden konkretny wirus, nie może zarazić się innym. Istnieją wirusy, które same nie mogą zainfekować rośliny, działają jedynie we współpracy z innymi wirusami. Niedawno opublikowano pracę opisującą formy wirusów, które pomagają roślinom przetrwać suszę. Takie nieoczekiwane przejście od pasożytnictwa do mutualizmu.
Nie ma skutecznych środków chemicznych do zwalczania chorób wirusowych ziemniaków. Aby poprawić jej zdrowotność, opracowano dość skomplikowane i co najważniejsze drogie metody: poprzez hodowlę in vitro, pozyskiwanie mikrobulw. Ale wynik utrzymuje się tylko przez kilka pokoleń. Aby znaleźć inne rozwiązania, należy bardziej szczegółowo zbadać charakterystykę wirusów, więc badanie jest bardzo, bardzo istotne.
– GOST 33996-2016 „Sady ziemniaków. Warunki techniczne i metody określania jakości” wymieniono pięć wirusów (PVK – wirus ziemniaka X; SBK – wirus ziemniaka S; MVK – wirus ziemniaka M; YBK – wirus ziemniaka Y; VSLK – wirus kędzierzawki liści ziemniak) i jeden wiroid (PSTV – wiroid wrzecionowatości bulw ziemniaka). Czy skupisz się na nich?
M.L.: Mój projekt ma na celu wykorzystanie wysokowydajnych metod do badania wiromów (zbiorów wirusów) obecnych na ziemniakach w Rosji. Jest to interesujące zarówno z punktu widzenia tego, jakie kompleksy różnych wirusów znajdują się na jednej roślinie, jak i z punktu widzenia rozpowszechnienia tych wirusów.
W sumie na świecie znanych jest ponad 50 wirusów występujących na ziemniakach. Te wymienione w GOST należą do najniebezpieczniejszych, a ponadto mają wyraźne znaki zewnętrzne. Zatem martwica mozaikowa jest częstym objawem zakażenia wirusem Y, a obecność wirusa kędzierzawki liści można określić na podstawie charakterystycznej deformacji blaszek liściowych.
Istnieje jednak wiele wirusów, które nie manifestują się fenotypowo, chociaż mogą mieć również wpływ na plony. Rzadko się je odkrywa, ale tylko dlatego, że się ich nie szuka.
Jako przykład mogę przytoczyć prace kolegów z Ogólnorosyjskiego Instytutu Badawczego Ochrony Roślin (VIZR). W 2019 roku opublikowali artykuł o odkryciu w Rosji wirusa ziemniaka P. Wcześniej uważano, że rozprzestrzenia się on wyłącznie w Ameryce Południowej.
Pytanie brzmi, co odkryjemy, jeśli nie będziemy szukać „pod latarnią”, tam gdzie jest jasno, ale tam, gdzie jeszcze nie szukaliśmy.
– Gdzie będziesz prowadzić badania?
M.L.: Zgodnie z warunkami dotacji, projekt potrwa dwa lata. W zeszłym roku współpracowaliśmy z plantacją ziemniaków w rejonie Tuły, zbieraliśmy materiał, pracowaliśmy z różnymi odmianami i reprodukcjami. W tym roku pojedziemy do innych regionów i zobaczymy, jakie wirusy tam występują.
Wyniki badania zostaną podsumowane w 2025 roku i na pewno opowiemy o nich rosyjskim plantatorom ziemniaków.