„Методът за редактиране на генома не трябва да се противопоставя на традиционните методи за селекция. „Това е по-скоро нов инструмент“, подчертава ръководителят на лабораторията за устойчивост на растения към стрес Всеруски изследователски институт по селскостопанска биотехнология (VNIISB) Василий Таранов. – Едно време хирурзите правеха операции с нож, после се появиха скалпели, после лазери. За хирургията станаха достъпни напълно различни възможности. Така че генното инженерство предлага инструмент, с който можете да вземете и подобрите нещо, но не отменя или заменя всичко, което е било използвано преди това.
Всеруският научноизследователски институт по селскостопанска биотехнология (VNIISB) управлява лаборатория за устойчивост на растения към стрес, работата на която се извършва в две основни посоки: търсене на гени, които определят устойчивостта на растенията към абиотичен и биотичен стрес, и редактиране на генома на културните растения, за да се повиши устойчивостта им на стрес. Научната област на учените включва картофи и зеленчуци на открито.
Разговаряме с ръководителя на лабораторията Василий Таранов и старши научен сътрудник Марина Лебедева за това какви са характеристиките и предимствата на най-новите технологии, какви резултати могат да постигнат и какви проблеми на руските земеделски производители използват за решаване от лаборанти.
– Днес много се говори за необходимостта от ускоряване на селекцията. Смята се, че методът за редактиране на генома позволява това да стане. Това е вярно?
В.Т.: Би било по-правилно да се каже, че биотехнологичните методи помагат не толкова за ускоряване на селекцията, колкото за разширяване на възможностите на учените. Процесът на работа върху сорта все още остава доста дълъг, тъй като говорим за растения, които имат определен жизнен цикъл.
Но за специалистите става възможно да получат резултати, които биха били изключително трудни (ако не и невъзможни) за постигане с помощта на традиционните методи на отглеждане.
С помощта на геномното редактиране можем целенасочено да въведем мутация, която пряко да засяга специфична характеристика на даден сорт, като същевременно запазим останалата част от комплекса от икономически ценни признаци непроменени.
M.L.: Представете си, че искаме да въведем ген за резистентност от диви картофи в нашия култивиран сорт, като използваме традиционни методи за размножаване. За да направи това, селекционерът извършва серия от кръстоски на „дивака“ с определени културни линии. Проблемът е, че заедно с гена за резистентност, всички други „диви“ гени се прехвърлят в сорта, което най-често е изключително нежелателно. Генното инженерство ви позволява да вземете/промените само един желан ген.
– Има гледна точка, че въпреки факта, че методът за редактиране на генома е известен от около 10 години, той все още не е дал забележими търговски резултати.
В.Т.: Това не е съвсем вярно. Водещите световни развъдни компании използват редактиране на генома и не го крият. Но ние не знаем какво точно правят и какви резултати постигат.
Постиженията не се рекламират, защото е по-скъпо да се пусне на пазара растение, което е обработено с помощта на методи на генно инженерство, отколкото такова, което е получено по традиционен начин. А понякога това е просто невъзможно да се направи.
В същото време е много трудно да се докаже, че редактирането на генома е използвано за създаване на определен сорт, като се използват съществуващи методи.
По време на теста специалистите ще търсят маркерна последователност в генома на организма, ако има такава, растението ще бъде разпознато като генетично модифицирано. Но при геномното редактиране нищо не се въвежда в генома, така че нищо не може да бъде намерено.
Промените често засягат не само един ген, а конкретно място в гена, буквално един нуклеотид, една буква. А останалите милиарди букви си остават както са били. За да определите, че дадено растение е редактирано, трябва действително да прочетете целия му геном с покритие десет пъти по-високо от стандартното, за да елиминирате грешката. Никой няма да направи такъв обемен и много скъп анализ, а селекционерът винаги може да каже, че е получил растението чрез мутагенеза или традиционна селекция.
– М.Л.: Редактирането на генома като цяло и особено опитът от използването на тези технологии върху растенията е сравнително нова история.
Не на последно място, защото за да промените даден елемент, трябва да знаете какво точно и как да го редактирате. Характеристиките на растенията се определят от гени, най-често набор от гени, от които трябва да се изберат подходящи цели за редактиране. Но изясняването на функциите и регулирането на специфични гени, които допринасят за чертите, които представляват интерес, изисква сложни и често продължителни проучвания. В сравнение с животните и хората можем да кажем, че не познаваме много добре много от молекулярните механизми на чертите на растенията (например устойчивост, продуктивност и т.н.). В същото време геномите на растенията са по-големи и по-сложни, което изобщо не опростява задачата. Въпреки това, много вече се знае чрез фундаментални изследвания в растителната биология и колкото повече разбираме това, толкова повече се увеличават нашите възможности за модификация.
Освен това говорим за метод, който позволява да се коригират определени характеристики, но не и да се представят нови сортове на пазара, работата по които, въпреки известно ускорение, все още отнема години.
– Биотехнолозите извършват ли редактиране на гени? Как те определят действителната посока на работата (целта за редактиране)?
В.Т.: Биотехнологът трябва да работи в тандем с успешен селекционер на избраната култура и в идеалния случай да включи други специализирани производители. Селекционерът, заедно с фермерите, поставя задачата, селекционерът помага да се изберат подходящи генотипове. Ние от своя страна се консултираме с биохимици и генетици, мислим какво можем да предложим на тази база (не винаги необходимите характеристики са достатъчно проучени от биологична гледна точка). Ние гледаме какво всъщност можем да направим, извършваме нашия етап от работата, връщаме получената линия на селекционера и селекционерът носи резултата на сорта.
- Редактирането на генома скъпа технология ли е?
В.Т.: Цената за получаване на растение зависи от реколтата и дали полученото растение е редактирано или трансгенно.
Ако говорим за оборудване, тогава за компания, която вече се занимава с получаване на материал без вируси и микроклониране, закупуването на оборудване и реагенти за редактиране на генома ще струва сравнително малка сума. Пречка за започване на такава работа може да не е огромният размер на инвестициите, а липсата на квалифициран персонал. Много малко са хората, които могат да поемат и изпълняват такава специализирана задача.
И да се върнем на разходите: технологичният прогрес в тази област е много бърз. Методите за редактиране на генома, да речем през 2012 г., когато беше открита CRISPR/Cas9 (технология за редактиране на геномите на висши организми, базирана на имунната система на бактериите), и това, което имаме сега, са много различни. Оперативната ефективност се увеличава с всяка година, а разходите намаляват.
M.L.: Това може да се сравни с проекта за секвениране на човешки геном. Първият човешки геном беше секвениран от международен консорциум в продължение на 10 години за 2.7 милиарда долара просто защото такива технологии са били налични през 90-те години. В момента секвенирането на пълен човешки геном струва по-малко от 1000 долара и отнема няколко дни.
– Да преминем към вашата лаборатория, фокусирана ли е върху фундаментална наука или приложни изследвания?
В.Т.: Опитваме се да правим и двете. Първоначално се дава приоритет на фундаменталните неща, но сега се опитваме да приложим нашите разработки на практика.
В момента, например, изучаваме механизмите на резистентност на картофите към вирус Y. Това е много фундаментална работа, но ако успее, резултатът ще бъде много интересен за селекцията на устойчиви сортове.
M.L.: Фундаменталната и приложната наука са тясно свързани помежду си, едната не може да съществува без другата. Ако не знаем как вирусът взаимодейства с растението, с кои специфични протеини, няма да можем да ги променим, за да направим растението устойчиво.
Провеждаме изследвания върху вируса Y от 2018 г. и сега се доближаваме до факта, че през следващите няколко години ще получим формула за устойчивост, а в бъдеще и необходимия практически резултат: картофеното растение няма да синтезира вирусни протеини, то ще бъдат устойчиви на вируса.
– Сътрудничите ли си с руски развъдни компании/развъдчици?
В.Т.: По отношение на картофите работим с младия селекционер Мария Полякова, активно общуваме с експерти от Съюза на картофите и поддържаме контакти с Федералния изследователски център за картофи на името на. А.Г. Лорха. Що се отнася до зелето, ние взаимодействаме със селекционери и производители на семена от Руския държавен аграрен университет - Московска селскостопанска академия на име. К.А. Тимирязев от Григорий и Сократ Монахос. И в това, което правим в тази област, се ръководим изцяло от тях.
– И пак за вирусите. Марина Валериевна, вашите научни интереси включват не само вируса Y. През 2023 г. получихте грант от Руската научна фондация за провеждане на изследвания по проекта „Изследване на вироми от култивирани картофи (Solanum tuberosum L.) с помощта на високопроизводителни методи за секвениране“. Защо тази тема е интересна?
M.L.: Картофите в по-голяма степен от много други растения страдат от вирусни заболявания, тъй като се размножават вегетативно. Вирусите се натрупват в клубените и се предават на следващите поколения, така че вирусният товар непрекъснато нараства. Когато казват, че картофите се израждат, точно за това говорим.
Вирусите не са инертни системи; те активно взаимодействат както с растението гостоприемник, така и помежду си. Има случаи, когато растение, което вече е болно от един специфичен вирус, не може да се зарази с друг. И има вируси, които не могат да заразят растение сами; те действат само в сътрудничество с други вируси. Съвсем наскоро беше публикувана работа, описваща форми на вируси, които помагат на растенията да оцелеят при суша. Такъв неочакван преход от паразитизъм към мутуализъм.
Няма ефективни химикали за борба с вирусните заболявания по картофите. За да се подобри здравето му, са разработени доста сложни и най-важното скъпи методи: чрез in vitro култура, получаване на микроклубени. Но резултатът трае само няколко поколения. За да намерите други решения, трябва да проучите по-подробно характеристиките на вирусите, така че изследването е много, много подходящо.
– ГОСТ 33996-2016 „Посевен материал от картофи. Технически условия и методи за определяне на качеството" са изброени пет вируса (PVK - X картофен вирус; SBK - S картофен вирус; MVK - M картофен вирус; YBK - Y картофен вирус; VSLK - вирус на завиване на листата potato) и един вироид (PSTV – potato spindle tuber viroid). Ще се съсредоточите ли върху тях?
M.L.: Моят проект има за цел да използва високопроизводителни методи за изследване на онези вироми (колекции от вируси), които присъстват върху картофите в Русия. Това е интересно както от гледна точка на това какви комплекси от различни вируси се намират на едно растение, така и от гледна точка на разпространението на тези вируси.
Общо в света са известни повече от 50 вируса, открити върху картофите. Изброените в GOST са сред най-опасните и освен това имат ясни външни признаци. По този начин мозаечната некроза е често срещана проява на инфекция с вирус Y и наличието на вируса на листното извиване може да се определи от характерната деформация на листните плочи.
Но има много вируси, които не се проявяват фенотипно, въпреки че също могат да имат ефект върху реколтата. Рядко се откриват, но само защото не се търсят.
Като пример мога да цитирам работата на колегите от Всеруския научноизследователски институт за растителна защита (VIZR). През 2019 г. те публикуваха статия за откриването в Русия на картофен вирус P. Преди това се смяташе, че той е разпространен изключително в Южна Америка.
Въпросът е какво ще открием, ако погледнем не „под уличната лампа“, където е светло, а там, където още не сме гледали.
– Къде ще провеждате изследванията си?
M.L.: Според условията на безвъзмездната помощ проектът ще продължи две години. Миналата година си сътрудничихме с картофена ферма в района на Тула, събрахме материал, работихме с различни сортове и репродукции. Тази година ще отидем в други региони и ще видим какви вируси има там.
Резултатите от изследването ще бъдат обобщени през 2025 г. и определено ще разкажем на руските производители на картофи за тях.