"Genoomi redigeerimise meetodit ei tohiks vastandada traditsioonilistele valikumeetoditele. “See on pigem uus tööriist,” rõhutab taimede stressiresistentsuse labori juhataja Ülevenemaaline põllumajandusliku biotehnoloogia uurimisinstituut (VNIISB) Vassili Taranov. – Kunagi tegid kirurgid noaga operatsioone, siis tekkisid skalpellid, seejärel laserid. Operatsiooni jaoks said kättesaadavaks täiesti erinevad võimalused. Seega pakub geenitehnoloogia tööriista, millega saab midagi võtta ja parandada, kuid see ei tühista ega asenda kõike, mida varem kasutati.
Ülevenemaalises põllumajandusliku biotehnoloogia uurimisinstituudis (VNIISB) töötab taimede stressiresistentsuse labor, mille töö toimub kahes põhisuunas: taimede abiootilise ja biootilise stressi suhtes resistentsust määravate geenide otsimine ning genoomi toimetamine. kultuurtaimedest, et suurendada nende stressikindlust. Teadlaste uurimisvaldkonda kuuluvad kartul ja avamaal juurviljad.
Räägime labori juhataja Vassili Taranovi ja vanemteaduri Marina Lebedevaga sellest, millised on uusimate tehnoloogiate omadused ja eelised, milliseid tulemusi on võimalik saavutada ning milliste Venemaa põllumajandustootjate probleemide lahendamiseks laboriteadlased neid kasutavad.
– Tänapäeval räägitakse palju valikuprotsessi kiirendamise vajadusest. Arvatakse, et genoomi redigeerimise meetod võimaldab seda teha. See on tõsi?
V.T.: Õigem oleks öelda, et biotehnoloogilised meetodid ei aita mitte niivõrd valikut kiirendada, kuivõrd teadlaste võimalusi laiendada. Sordiga töötamise protsess on endiselt üsna pikk, kuna me räägime taimedest, millel on teatud elutsükkel.
Kuid spetsialistidel on võimalik saavutada tulemusi, mida oleks traditsiooniliste aretusmeetodite abil äärmiselt raske (kui mitte võimatu) saavutada.
Genoomilise redigeerimise abil saame sihipäraselt sisse viia mutatsiooni, mis mõjutab otseselt sordi spetsiifilist omadust, jättes samal ajal muutumatuna ülejäänud majanduslikult väärtuslike tunnuste kompleksi.
M.L.: Kujutage ette, et tahame traditsiooniliste aretusmeetodite abil oma kultiveeritavasse sorti viia metsiku kartuli resistentsusgeeni. Selleks viib aretaja läbi rea “metslase” ristandeid teatud kultuuriliste joontega. Probleem on selles, et koos resistentsusgeeniga kanduvad sordile ka kõik teised “metsikud” geenid, mis on enamasti äärmiselt ebasoovitav. Geenitehnoloogia võimaldab võtta/muuta ainult ühte soovitud geeni.
– On seisukoht, et vaatamata sellele, et genoomi redigeerimise meetod on tuntud juba umbes 10 aastat, pole see veel märgatavaid ärilisi tulemusi andnud.
V.T.: See pole täiesti tõsi. Maailma juhtivad aretusettevõtted kasutavad genoomi redigeerimist ega varja seda. Kuid me ei tea, mida nad täpselt teevad ja milliseid tulemusi nad saavutavad.
Saavutusi ei reklaamita, sest geenitehnoloogia meetoditega töödeldud taime turule toomine on kallim kui traditsiooniliselt saadud taime. Ja mõnikord on seda lihtsalt võimatu teha.
Samas on väga raske tõestada, et olemasolevaid meetodeid kasutades kasutati konkreetse sordi loomiseks genoomi redigeerimist.
Testi käigus otsivad spetsialistid organismi genoomist markerjärjestust, selle olemasolul tunnistatakse taim geneetiliselt muundatud. Kuid genoomi redigeerimisega ei sisestata genoomi midagi, nii et midagi ei leita.
Muutused ei mõjuta sageli ainult ühte geeni, vaid konkreetset kohta geenis, sõna otseses mõttes ühte nukleotiidi, ühte tähte. Ja ülejäänud miljardid kirjad jäävad samaks. Et teha kindlaks, kas taime on redigeeritud, peate tegelikult lugema kogu selle genoomi, mille katvus on kümme korda suurem kui standard, et viga kõrvaldada. Nii mahukat ja väga kallist analüüsi ei tee keegi ning aretaja võib alati öelda, et sai taime mutageneesi või traditsioonilise selektsiooni abil.
– M.L.: Genoomi redigeerimine üldiselt ja eriti nende tehnoloogiate kasutamise kogemus taimedel on üsna värske lugu.
Vähe sellest, et funktsiooni muutmiseks peate teadma, mida täpselt ja kuidas seda muuta. Taimeomadused on määratud geenide, enamasti geenide kogumiga, mille hulgast tuleb valida toimetamiseks sobivad sihtmärgid. Kuid huvipakkuvatele tunnustele kaasaaitavate spetsiifiliste geenide funktsioonide ja reguleerimise selgitamine nõuab keerulisi ja sageli pikki uuringuid. Loomade ja inimestega võrreldes võib öelda, et me ei tunne paljusid taimetunnuste molekulaarseid mehhanisme (näiteks resistentsus, produktiivsus jne) kuigi hästi. Samas on taimegenoomid suuremad ja keerukamad, mis ei lihtsusta ülesannet sugugi. Taimebioloogia alusuuringute kaudu on aga juba palju teada ja mida rohkem me sellest aru saame, seda rohkem meie modifikatsioonivõimalused suurenevad.
Lisaks räägime meetodist, mis võimaldab korrigeerida teatud omadusi, kuid mitte tuua turule uusi sorte, mille kallal töötamine, vaatamata mõningasele kiirendusele, võtab siiski aastaid.
– Kas biotehnoloogid teevad geenide redigeerimist? Kuidas nad määravad töö tegeliku suuna (toimetamise eesmärgi)?
V.T.: Biotehnoloog peab töötama koos valitud põllukultuuri eduka aretajaga ja ideaaljuhul kaasama ka teisi spetsialiseeritud tootjaid. Aretaja koos põllumeestega seab ülesande, aretaja aitab valida sobivad genotüübid. Meie omakorda konsulteerime biokeemikute ja geneetikutega, mõtleme, mida saame selle põhjal pakkuda (alati pole vajalikke omadusi bioloogilisest aspektist piisavalt uuritud). Vaatame, mida me tegelikult teha saame, teostame oma tööetapi, tagastame saadud liini aretajale ja aretaja toob tulemuse sordile.
- Kas genoomi redigeerimine on kallis tehnoloogia?
V.T.: Taime hankimise maksumus sõltub saagist ja sellest, kas saadud taim on redigeeritud või transgeenne.
Kui rääkida seadmetest, siis ettevõttele, kes juba tegeleb viirusevaba materjali hankimise ja mikrokloonimisega, läheb genoomi redigeerimiseks vajalike seadmete ja reaktiivide ostmine maksma suhteliselt väikese summa. Takistuseks sellise töö alustamisel ei pruugi olla tohutu investeeringute maht, vaid kvalifitseeritud personali puudus. On väga vähe inimesi, kes suudavad sellist spetsiifilist ülesannet enda peale võtta ja täita.
Ja tulles tagasi kulude juurde: tehnoloogiline areng selles valdkonnas on väga kiire. Genoomi redigeerimise meetodid, näiteks 2012. aastal, kui avastati CRISPR/Cas9 (kõrgemate organismide genoomide redigeerimise tehnoloogia, mis põhineb bakterite immuunsüsteemil), ja see, mis meil praegu on, on väga erinevad. Tegevuse efektiivsus kasvab aasta-aastalt ja kulud vähenevad.
M.L.: Seda võib võrrelda inimese genoomi järjestamise projektiga. Esimene inimgenoomi sekveneeris rahvusvaheline konsortsium 10 aastat 2.7 miljardi dollari eest lihtsalt seetõttu, et sellised tehnoloogiad olid saadaval 90ndatel. Praegu maksab inimese täieliku genoomi järjestamine vähem kui 1000 dollarit ja võtab aega paar päeva.
– Räägime edasi teie laborist, kas see keskendub fundamentaalteadusele või rakendusuuringutele?
V.T.: Püüame teha mõlemat. Esialgu olid prioriteediks põhimõttelised asjad, kuid nüüd proovime oma arendusi praktikasse rakendada.
Praegu uurime näiteks kartuli resistentsuse mehhanisme viiruse Y suhtes. See on palju põhjapanevat tööd, kuid õnnestumise korral on tulemus resistentsete sortide valikul väga huvitav.
M.L.: Fundamentaal- ja rakendusteadus on omavahel tihedalt seotud, üks ei saa eksisteerida ilma teiseta. Kui me ei tea, kuidas viirus taimega suhtleb, milliste konkreetsete valkudega, ei saa me neid muuta, et taim oleks vastupidav.
Oleme viiruse Y kohta uuringuid teinud alates 2018. aastast ja läheneme nüüd sellele, et järgmise paari aasta jooksul saame resistentsuse valemi ja tulevikus vajaliku praktilise tulemuse: kartulitaim ei sünteesi viirusvalke, see on viiruse suhtes resistentne.
– Kas teete koostööd Venemaa aretusettevõtete/kasvatajatega?
V.T.: Kartulite osas teeme koostööd noore aretaja Maria Poljakovaga, suhtleme aktiivselt kartuliliidu ekspertidega ja hoiame kontakte nimelise kartuliföderaalse uurimiskeskusega. A.G. Lorja. Kapsa osas suhtleme Venemaa Riikliku Põllumajandusülikooli-Moskva Põllumajandusakadeemia aretajate ja seemnekasvatajatega. K.A. Timiryazev Grigory ja Sokrates Monachos. Ja selles, mida me selles valdkonnas teeme, juhindume neist täielikult.
– Ja jälle viiruste kohta. Marina Valerievna, teie teaduslike huvide hulka ei kuulu mitte ainult viirus Y. 2023. aastal saite Venemaa Teadusfondilt stipendiumi projekti „Kultuurkartuli (Solanum tuberosum L.) viroomide uurimine suure läbilaskevõimega sekveneerimismeetodite abil“ uurimistöö läbiviimiseks. Miks see teema huvitav on?
M.L.: Kartul kannatab viirushaiguste all rohkem kui paljud teised taimed, kuna neid paljundatakse vegetatiivselt. Viirused kogunevad mugulatesse ja kanduvad edasi järgmistele põlvkondadele, mistõttu viiruskoormus kasvab pidevalt. Kui nad ütlevad, et kartul laguneb, siis see on täpselt see, millest me räägime.
Viirused ei ole inertsed süsteemid, nad suhtlevad aktiivselt nii peremeestaime kui ka üksteisega. On juhtumeid, kus ühe konkreetse viirusega juba haigestunud taim ei saa nakatuda teise viirusega. Ja on viiruseid, mis ei suuda taime üksi nakatada, nad toimivad ainult koostöös teiste viirustega. Just hiljuti avaldati töö, mis kirjeldab viiruste vorme, mis aitavad taimedel põuda üle elada. Selline ootamatu üleminek parasitismist vastastikusele.
Kartuli viirushaiguste vastu võitlemiseks pole tõhusaid kemikaale. Selle tervise parandamiseks on välja töötatud üsna keerukad ja mis kõige tähtsam - kallid meetodid: in vitro kultiveerimise teel mikromugulate saamine. Kuid tulemus kestab vaid mõne põlvkonna. Teiste lahenduste leidmiseks tuleb täpsemalt uurida viiruste omadusi, seega on uuring väga-väga asjakohane.
– GOST 33996-2016 “Seemnekartul. Kvaliteedi määramise tehnilised tingimused ja meetodid" on loetletud viis viirust (PVK - X kartuliviirus; SBK - S kartuliviirus; MVK - M kartuliviirus; YBK - Y kartuliviirus; VSLK - lehtede lokiviirus kartul) ja üks viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Kas keskendute neile?
M.L.: Minu projekti eesmärk on kasutada suure läbilaskevõimega meetodeid nende viroomide (viiruskollektsioonide) uurimiseks, mis Venemaal kartulitel esinevad. See on huvitav nii sellest, milliseid erinevate viiruste komplekse ühel taimel leidub, kui ka nende viiruste levimuse seisukohalt.
Kokku on maailmas teada rohkem kui 50 kartulilt leitud viirust. GOST-is loetletud on ühed kõige ohtlikumad ja lisaks on neil selged välismärgid. Seega on mosaiiknekroos viirus Y-nakkuse sagedane ilming ja lehekähara viiruse olemasolu saab määrata lehelabade iseloomuliku deformatsiooni järgi.
Kuid on palju viiruseid, mis ei avaldu fenotüüpiliselt, kuigi võivad avaldada mõju ka saagile. Neid avastatakse harva, kuid ainult sellepärast, et neid ei otsita.
Näitena võin tuua kolleegide tööd Ülevenemaalisest Taimekaitseinstituudist (VIZR). 2019. aastal avaldasid nad artikli kartuliviiruse P avastamisest Venemaal. Varem arvati, et seda levitati ainult Lõuna-Ameerikas.
Küsimus on selles, mida me avastame, kui vaatame mitte "tänavavalguse alla", kus on valgus, vaid sinna, kuhu me pole veel vaadanud.
– Kus te oma uurimistööd läbi viite?
M.L.: Toetuse tingimuste kohaselt kestab projekt kaks aastat. Eelmisel aastal tegime koostööd Tula piirkonna kartulifarmiga, kogusime materjali, töötasime erinevate sortide ja reproduktsioonidega. Sel aastal läheme teistesse piirkondadesse ja vaatame, mis viiruseid sealt leitakse.
Uuringu tulemused võetakse kokku 2025. aastal ja kindlasti räägime neist Venemaa kartulikasvatajatele.