„Aðferðin við að breyta erfðamengi ætti ekki að vera á móti hefðbundnum valaðferðum. „Þetta er frekar nýtt tæki,“ leggur áherslu á yfirmaður rannsóknarstofu um streituþol plantna All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) Vasily Taranov. – Einu sinni gerðu skurðlæknar aðgerðir með hníf, svo birtust þeir skurðarhníf, síðan leysir. Allt önnur úrræði urðu í boði fyrir skurðaðgerð. Þannig að erfðatækni býður upp á tæki sem þú getur tekið og bætt eitthvað með, en það hættir ekki við eða kemur í staðinn fyrir allt sem var notað áður."
All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) starfrækir rannsóknarstofu fyrir streituþol plantna, en starf hennar fer fram í tvær megin áttir: leit að genum sem ákvarða þol plantna gegn lífrænum streitu og líffræðilegum streitu, og breyting á erfðamengi. af ræktuðum plöntum til að auka streituþol þeirra. Á rannsóknarsviði vísindamannanna eru kartöflur og grænmeti í opnu jörðu.
Við tölum við yfirmann rannsóknarstofunnar Vasily Taranov og eldri vísindamanninn Marina Lebedeva um hverjir eiginleikar og kostir nýjustu tækni eru, hvaða árangri þeir geta náð og hvaða vandamál rússneskra landbúnaðarframleiðenda þeir eru notaðir af rannsóknarstofum til að leysa.
– Í dag er mikið talað um nauðsyn þess að flýta valferlinu. Talið er að aðferðin við að breyta erfðamengi geri þetta kleift. Þetta er satt?
V.T.: Réttara væri að segja að líftækniaðferðir hjálpa ekki svo mikið við að flýta vali heldur að auka getu vísindamanna. Ferlið við að vinna að fjölbreytni er enn frekar langt þar sem við erum að tala um plöntur sem hafa ákveðinn lífsferil.
En það verður mögulegt fyrir sérfræðinga að ná árangri sem væri mjög erfitt (ef ekki ómögulegt) að ná með hefðbundnum ræktunaraðferðum.
Með hjálp erfðafræðilegrar klippingar getum við markvisst innleitt stökkbreytingu sem hefur bein áhrif á ákveðinn eiginleika yrkis, á sama tíma og afgangurinn af efnahagslega verðmætum eiginleikum er haldið óbreyttum.
M.L.: Ímyndaðu þér að við viljum innleiða ónæmisgen úr villtri kartöflu inn í ræktaða yrki okkar með hefðbundnum ræktunaraðferðum. Til að gera þetta framkvæmir ræktandinn röð krossa „villimannsins“ með ákveðnum menningarlínum. Vandamálið er að ásamt ónæmisgeninu flytjast öll önnur „villt“ gen yfir á yrkisefnið, sem er oftast afar óæskilegt. Erfðatækni gerir þér kleift að taka/breyta aðeins einu æskilegu geni.
– Það er sjónarmið að þrátt fyrir að aðferðin við að breyta erfðamengi hafi verið þekkt í um það bil 10 ár hefur hún ekki enn skilað merkjanlegum viðskiptalegum árangri.
V.T.: Þetta er ekki alveg satt. Helstu ræktunarfyrirtæki heims nota erfðamengisbreytingar og leyna því ekki. En við vitum ekki nákvæmlega hvað þeir gera og hvaða niðurstöður þeir fá.
Afrek eru ekki auglýst þar sem dýrara er að koma plöntu sem hefur verið unnin með erfðatækni á markað heldur en hefðbundið er. Og stundum er þetta einfaldlega ómögulegt að gera.
Á sama tíma er mjög erfitt að sanna að erfðamengisbreyting hafi verið notuð til að búa til tiltekið afbrigði með því að nota núverandi aðferðir.
Meðan á prófinu stendur munu sérfræðingar leita að merkaröð í erfðamengi lífverunnar; ef hún er til staðar verður plantan viðurkennd sem erfðabreytt. En með erfðafræðilegri klippingu er ekkert komið inn í erfðamengið, svo ekkert er að finna.
Breytingar hafa oft áhrif á ekki bara eitt geni heldur ákveðinn stað í geninu, bókstaflega eitt kirni, einn bókstaf. Og hinir milljarðar bréfa sem eftir eru eru áfram eins og þeir voru. Til að ákvarða að planta hafi verið breytt þarftu í raun að lesa allt erfðamengi hennar, með þekju tíu sinnum hærri en staðallinn til að útrýma villum. Enginn mun gera svo umfangsmikla og mjög dýra greiningu og ræktandinn getur alltaf sagt að hann hafi fengið plöntuna með stökkbreytingu eða hefðbundnu vali.
– M.L.: Erfðamengisbreyting almennt, og sérstaklega reynslan af því að nota þessa tækni á plöntur, er frekar nýleg saga.
Ekki síst vegna þess að til að breyta eiginleikum þarftu að vita hvað nákvæmlega og hvernig á að breyta því. Plöntueiginleikar eru ákvörðuð af genum, oftast samsettum genum, sem velja þarf hentug skotmörk til að breyta úr. En til að skýra virkni og stjórnun tiltekinna gena sem stuðla að áhugaeiginleikum þarf flóknar og oft langar rannsóknir. Þegar borið er saman við dýr og menn, getum við sagt að við þekkjum ekki marga af sameindaferlum plöntueiginleika (td viðnám, framleiðni osfrv.) mjög vel. Á sama tíma eru erfðamengi plantna stærri og flóknari, sem einfaldar verkefnið alls ekki. Margt er þó þegar vitað í gegnum grunnrannsóknir í plöntulíffræði og eftir því sem við skiljum þetta betur, því meira aukast möguleikar okkar á breytingum.
Að auki erum við að tala um aðferð sem gerir það mögulegt að leiðrétta ákveðna eiginleika, en ekki að koma nýjum afbrigðum á markað, sem vinna við, þrátt fyrir nokkra hröðun, tekur enn mörg ár.
– Gera líftæknifræðingar genabreytingar? Hvernig ákvarða þeir raunverulega stefnu vinnunnar (tilgangur klippinga)?
V.T.: Líftæknifræðingurinn verður að vinna í samstarfi við farsælan ræktanda á valinni ræktun og helst taka til annarra sérfræðiframleiðenda. Ræktandinn, ásamt bændum, setur verkefnið, ræktandinn aðstoðar við að velja viðeigandi arfgerðir. Við ráðfærum okkur aftur á móti við lífefnafræðinga og erfðafræðinga, við hugsum hvað við getum boðið á þessum grundvelli (það eru nauðsynlegir eiginleikar ekki alltaf nægilega rannsakaðir frá líffræðilegu sjónarhorni). Við skoðum hvað við getum í raun og veru gert, framkvæmum okkar vinnustig, skilum línunni sem myndast til ræktandans og ræktandinn færir útkomuna til fjölbreytninnar.
- Er genamengsbreyting dýr tækni?
V.T.: Kostnaður við að fá plöntu fer eftir uppskerunni og hvort plantan sem myndast er breytt eða erfðabreytt.
Ef við tölum um búnað, þá munu kaup á búnaði og hvarfefnum fyrir erfðamengisbreytingar kosta tiltölulega lítið magn fyrir fyrirtæki sem þegar er að fá víruslaust efni og örklónun. Hindrunin við að hefja slíka vinnu er kannski ekki yfirþyrmandi fjárfesting heldur skortur á hæfu starfsfólki. Það eru mjög fáir sem geta tekið að sér og sinnt svo sérhæfðu verki.
Og aftur að kostnaði: tækniframfarir á þessu sviði eru mjög hraðar. Aðferðir við erfðamengisbreytingar, til dæmis, árið 2012, þegar CRISPR/Cas9 var uppgötvað (tækni til að breyta erfðamengi æðri lífvera, byggt á ónæmiskerfi baktería), og það sem við höfum núna eru mjög mismunandi. Rekstrarhagkvæmni eykst ár frá ári og kostnaður minnkar.
M.L.: Þessu má líkja við erfðamengisraðgreiningarverkefni mannsins. Fyrsta erfðamengi mannsins var raðgreint af alþjóðlegum hópi í 10 ár fyrir 2.7 milljarða dollara einfaldlega vegna þess að slík tækni var fáanleg á tíunda áratugnum. Sem stendur kostar raðgreining á heilu erfðamengi mannsins minna en $90 og tekur nokkra daga.
- Við skulum halda áfram að tala um rannsóknarstofuna þína, er hún lögð áhersla á grundvallarvísindi eða hagnýtar rannsóknir?
V.T.: Við reynum að gera bæði. Upphaflega voru grundvallaratriði sett í forgang, en nú erum við að reyna að beita þróun okkar í framkvæmd.
Í augnablikinu, til dæmis, erum við að rannsaka hvernig kartöfluþol gegn vírus Y. Þetta er mikil grundvallarvinna, en ef vel tekst til verður niðurstaðan mjög áhugaverð fyrir val á ónæmum afbrigðum.
M.L.: Grundvallar- og hagnýt vísindi eru nátengd; eitt getur ekki verið án hins. Ef við vitum ekki hvernig vírusinn hefur samskipti við plöntuna, við hvaða sérstök prótein, getum við ekki breytt þeim til að gera plöntuna ónæma.
Við höfum stundað rannsóknir á vírus Y síðan 2018 og erum nú að nálgast þá staðreynd að á næstu árum munum við fá formúlu fyrir ónæmi og í framtíðinni nauðsynlega hagnýta niðurstöðu: kartöfluplantan mun ekki búa til veiruprótein, hún verður ónæmur fyrir veirunni.
– Ertu í samstarfi við rússnesk ræktunarfyrirtæki/ræktendur?
V.T.: Um kartöflur vinnum við með ungum ræktanda Maria Polyakova, erum í virkum samskiptum við sérfræðinga frá Kartöflusambandinu og höldum sambandi við Kartöflurannsóknarmiðstöðina sem nefnd er eftir. A.G. Lorja. Að því er varðar hvítkál erum við í samskiptum við ræktendur og fræræktendur rússneska landbúnaðarháskólans í Moskvu sem er nefnd eftir. K.A. Timiryazev eftir Grigory og Socrates Monachos. Og í því sem við gerum á þessu sviði höfum við algjörlega að leiðarljósi þeirra.
– Og aftur um vírusa. Marina Valerievna, svið vísindalegra hagsmuna þinna nær ekki aðeins yfir vírusinn Y. Árið 2023 fékkstu styrk frá rússneska vísindasjóðnum til að framkvæma rannsóknir á verkefninu „Rannsókn á vírusum í ræktuðum kartöflum (Solanum tuberosum L.) með raðgreiningaraðferðum með mikilli afköstum. Hvers vegna er þetta efni áhugavert?
M.L.: Kartöflur, í meira mæli en margar aðrar plöntur, þjást af veirusjúkdómum, þar sem þeim er fjölgað gróðurlega. Veirur safnast fyrir í hnýði og berast til næstu kynslóða, þannig að veirumagnið stækkar stöðugt. Þegar þeir segja að kartöflur séu að hrörna, þá erum við einmitt að tala um þetta.
Veirur eru ekki óvirk kerfi; þær hafa virkan samskipti við bæði hýsilplöntuna og hvert annað. Það eru tilvik þar sem planta sem er þegar veik af einni ákveðinni veiru getur ekki smitast af annarri. Og það eru vírusar sem geta ekki sýkt plöntu einar sér; þær virka aðeins í samvinnu við aðrar vírusar. Nýlega var gefið út verk sem lýsir formum vírusa sem hjálpa plöntum að lifa af þurrka. Svo óvænt umskipti frá sníkjudýrkun yfir í gagnkvæmni.
Það eru engin áhrifarík efni til að berjast gegn veirusjúkdómum á kartöflum. Til að bæta heilsu þess hafa verið þróaðar nokkuð flóknar og síðast en ekki síst dýrar aðferðir: með in vitro ræktun, fá örhnýði. En niðurstaðan endist aðeins í nokkrar kynslóðir. Til að finna aðrar lausnir þarf að rannsaka eiginleika vírusa nánar, þannig að rannsóknin er mjög, mjög viðeigandi.
– GOST 33996-2016 „Útsæðiskartöflur. Tæknilegar aðstæður og aðferðir til að ákvarða gæði" eru taldar upp fimm veirur (PVK - X kartöfluveira; SBK - S kartöfluveira; MVK - M kartöfluveira; YBK - Y kartöfluveira; VSLK - laufkrullaveira kartöflu) og einn viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Ætlarðu að einbeita þér að þeim?
M.L.: Verkefnið mitt miðar að því að nota afkastamikil aðferðir til að rannsaka þessi vírus (söfn vírusa) sem eru á kartöflum í Rússlandi. Þetta er áhugavert bæði út frá því hvaða fléttur mismunandi veira finnast á einni plöntu og út frá útbreiðslu þessara veira.
Alls eru meira en 50 veirur sem finnast á kartöflum þekktar í heiminum. Þeir sem taldir eru upp í GOST eru meðal þeirra hættulegustu og að auki hafa þeir skýr ytri merki. Þannig er mósaíkdrep algeng birtingarmynd vírus Y-sýkingar og hægt er að ákvarða nærveru laufkrullaveiru með einkennandi aflögun laufblaða.
En það eru margar veirur sem gera ekki vart við sig með svipgerðum, þó þær geti líka haft áhrif á uppskeruna. Þeir uppgötvast sjaldan, heldur aðeins vegna þess að ekki er leitað að þeim.
Sem dæmi get ég nefnt vinnu samstarfsmanna frá All-Russian Research Institute of Plant Protection (VIZR). Árið 2019 birtu þeir grein um uppgötvun kartöfluveiru P í Rússlandi. Áður var talið að henni væri eingöngu dreift í Suður-Ameríku.
Spurningin er hvað munum við uppgötva ef við lítum ekki „undir götuljósinu“ þar sem það er ljós, heldur þangað sem við höfum ekki enn leitað.
— Hvar ætlarðu að stunda rannsóknir þínar?
M.L.: Samkvæmt skilmálum styrksins mun verkefnið taka tvö ár. Á síðasta ári vorum við í samstarfi við kartöflubú í Tula-héraði, söfnuðum efni, unnum með mismunandi afbrigði og fjölföldun. Í ár munum við fara til annarra svæða og sjá hvaða vírusar finnast þar.
Niðurstöður rannsóknarinnar verða teknar saman árið 2025 og við munum örugglega segja rússneskum kartöfluræktendum frá þeim.