«Η μέθοδος επεξεργασίας γονιδιώματος δεν πρέπει να αντιπαρατίθεται στις παραδοσιακές μεθόδους επιλογής. «Αυτό είναι μάλλον ένα νέο εργαλείο», τονίζει ο επικεφαλής του εργαστηρίου αντοχής στις καταπονήσεις των φυτών Πανρωσικό Ινστιτούτο Ερευνών Αγροτικής Βιοτεχνολογίας (VNIISB) Vasily Taranov. – Κάποτε οι χειρουργοί έκαναν επεμβάσεις με μαχαίρι και μετά εμφανίστηκαν νυστέρια και μετά λέιζερ. Εντελώς διαφορετικές επιλογές έγιναν διαθέσιμες στη χειρουργική επέμβαση. Έτσι, η γενετική μηχανική προσφέρει ένα εργαλείο με το οποίο μπορείτε να πάρετε και να βελτιώσετε κάτι, αλλά δεν ακυρώνει ή αντικαθιστά όλα όσα είχαν χρησιμοποιηθεί προηγουμένως».
Το Πανρωσικό Ινστιτούτο Ερευνών Αγροτικής Βιοτεχνολογίας (VNIISB) λειτουργεί ένα εργαστήριο αντοχής στο στρες των φυτών, το έργο του οποίου διεξάγεται σε δύο κύριες κατευθύνσεις: την αναζήτηση γονιδίων που καθορίζουν την αντοχή των φυτών στο αβιοτικό και βιοτικό στρες και την επεξεργασία του γονιδιώματος των καλλιεργούμενων φυτών προκειμένου να αυξηθεί η αντοχή τους στο στρες. Η περιοχή έρευνας των επιστημόνων περιλαμβάνει πατάτες και λαχανικά ανοιχτού εδάφους.
Μιλάμε με τον επικεφαλής του εργαστηρίου Vasily Taranov και την ανώτερη ερευνήτρια Marina Lebedeva για τα χαρακτηριστικά και τα πλεονεκτήματα των πιο πρόσφατων τεχνολογιών, ποια αποτελέσματα μπορούν να επιτύχουν και ποια προβλήματα των Ρώσων παραγωγών γεωργικών προϊόντων χρησιμοποιούνται από επιστήμονες εργαστηρίου.
– Σήμερα γίνεται πολύς λόγος για την ανάγκη επιτάχυνσης της διαδικασίας επιλογής. Πιστεύεται ότι η μέθοδος επεξεργασίας γονιδιώματος επιτρέπει να γίνει αυτό. Αυτό είναι αλήθεια?
V.T.: Θα ήταν πιο σωστό να πούμε ότι οι βιοτεχνολογικές μέθοδοι δεν βοηθούν τόσο στην επιτάχυνση της επιλογής όσο στη διεύρυνση των ικανοτήτων των επιστημόνων. Η διαδικασία της εργασίας σε μια ποικιλία παραμένει ακόμα αρκετά χρονοβόρα, αφού μιλάμε για φυτά που έχουν συγκεκριμένο κύκλο ζωής.
Αλλά καθίσταται δυνατό για τους ειδικούς να επιτύχουν αποτελέσματα που θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο (αν όχι αδύνατο) να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους αναπαραγωγής.
Με τη βοήθεια της γονιδιωματικής επεξεργασίας, μπορούμε σκόπιμα να εισαγάγουμε μια μετάλλαξη που επηρεάζει άμεσα ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό μιας ποικιλίας, διατηρώντας παράλληλα το υπόλοιπο σύμπλεγμα των οικονομικά πολύτιμων χαρακτηριστικών αμετάβλητο.
M.L.: Φανταστείτε ότι θέλουμε να εισαγάγουμε ένα γονίδιο αντίστασης από μια άγρια πατάτα στην καλλιεργούμενη ποικιλία μας χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους αναπαραγωγής. Για να γίνει αυτό, ο κτηνοτρόφος πραγματοποιεί μια σειρά από διασταυρώσεις του «άγριου» με ορισμένες πολιτιστικές γραμμές. Το πρόβλημα είναι ότι μαζί με το γονίδιο αντίστασης, όλα τα άλλα «άγρια» γονίδια μεταφέρονται στην ποικιλία, η οποία τις περισσότερες φορές είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη. Η γενετική μηχανική σάς επιτρέπει να πάρετε/αλλάξετε μόνο ένα επιθυμητό γονίδιο.
– Υπάρχει η άποψη ότι παρά το γεγονός ότι η μέθοδος επεξεργασίας γονιδιώματος είναι γνωστή εδώ και περίπου 10 χρόνια, δεν έχει ακόμη παράγει αξιοσημείωτα εμπορικά αποτελέσματα.
V.T.: Αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Οι κορυφαίες εταιρείες αναπαραγωγής στον κόσμο χρησιμοποιούν επεξεργασία γονιδιώματος και δεν το κρύβουν. Αλλά δεν ξέρουμε τι ακριβώς κάνουν και τι αποτελέσματα έχουν.
Τα επιτεύγματα δεν διαφημίζονται επειδή είναι πιο ακριβό να φέρει κανείς στην αγορά ένα φυτό που έχει υποστεί επεξεργασία με μεθόδους γενετικής μηχανικής από ένα που λαμβάνεται παραδοσιακά. Και μερικές φορές αυτό είναι απλά αδύνατο να γίνει.
Ταυτόχρονα, είναι πολύ δύσκολο να αποδειχθεί ότι η επεξεργασία του γονιδιώματος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης ποικιλίας χρησιμοποιώντας υπάρχουσες μεθόδους.
Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, οι ειδικοί θα αναζητήσουν μια ακολουθία δείκτη στο γονιδίωμα του οργανισμού· εάν υπάρχει, το φυτό θα αναγνωριστεί ως γενετικά τροποποιημένο. Αλλά με τη γονιδιωματική επεξεργασία, τίποτα δεν εισάγεται στο γονιδίωμα, επομένως τίποτα δεν μπορεί να βρεθεί.
Οι αλλαγές συχνά επηρεάζουν όχι μόνο ένα γονίδιο, αλλά μια συγκεκριμένη θέση στο γονίδιο, κυριολεκτικά ένα νουκλεοτίδιο, ένα γράμμα. Και τα υπόλοιπα δισεκατομμύρια γράμματα παραμένουν ως είχαν. Για να προσδιορίσετε ότι ένα φυτό έχει υποστεί επεξεργασία, πρέπει πραγματικά να διαβάσετε ολόκληρο το γονιδίωμά του, με κάλυψη δέκα φορές υψηλότερη από το πρότυπο για την εξάλειψη του σφάλματος. Κανείς δεν θα κάνει μια τόσο ογκώδη και πολύ ακριβή ανάλυση και ο κτηνοτρόφος μπορεί πάντα να πει ότι έλαβε το φυτό χρησιμοποιώντας μεταλλαξιογένεση ή παραδοσιακή επιλογή.
– M.L.: Η επεξεργασία του γονιδιώματος γενικά, και ειδικά η εμπειρία χρήσης αυτών των τεχνολογιών στα φυτά, είναι μια αρκετά πρόσφατη ιστορία.
Όχι μόνο επειδή για να αλλάξετε μια λειτουργία πρέπει να γνωρίζετε τι ακριβώς και πώς να το επεξεργαστείτε. Τα χαρακτηριστικά των φυτών καθορίζονται από γονίδια, τις περισσότερες φορές ένα σύνολο γονιδίων, από τα οποία πρέπει να επιλεγούν κατάλληλοι στόχοι για επεξεργασία. Αλλά η αποσαφήνιση των λειτουργιών και της ρύθμισης συγκεκριμένων γονιδίων που συμβάλλουν σε χαρακτηριστικά ενδιαφέροντος απαιτεί πολύπλοκες και συχνά μακροχρόνιες μελέτες. Σε σύγκριση με τα ζώα και τους ανθρώπους, μπορούμε να πούμε ότι δεν γνωρίζουμε πολύ καλά πολλούς από τους μοριακούς μηχανισμούς των χαρακτηριστικών των φυτών (για παράδειγμα, αντίσταση, παραγωγικότητα κ.λπ.). Ταυτόχρονα, τα γονιδιώματα των φυτών είναι μεγαλύτερα και πιο περίπλοκα, γεγονός που δεν απλοποιεί καθόλου το έργο. Ωστόσο, πολλά είναι ήδη γνωστά μέσω της βασικής έρευνας στη βιολογία των φυτών, και όσο περισσότερο το καταλαβαίνουμε αυτό, τόσο αυξάνονται οι δυνατότητές μας για τροποποίηση.
Επιπλέον, μιλάμε για μια μέθοδο που καθιστά δυνατή τη διόρθωση ορισμένων χαρακτηριστικών, αλλά όχι την εισαγωγή νέων ποικιλιών στην αγορά, εργασίες για τις οποίες, παρά την επιτάχυνση, χρειάζονται ακόμη χρόνια.
– Οι βιοτεχνολόγοι κάνουν επεξεργασία γονιδίων; Πώς καθορίζουν την πραγματική κατεύθυνση του έργου (το σκοπό για το μοντάζ);
V.T.: Ο βιοτεχνολόγος πρέπει να συνεργαστεί με έναν επιτυχημένο εκτροφέα της επιλεγμένης καλλιέργειας και, ιδανικά, να εμπλέξει άλλους ειδικούς παραγωγούς. Ο κτηνοτρόφος, μαζί με τους αγρότες, θέτει ένα καθήκον, ο κτηνοτρόφος βοηθά στην επιλογή των κατάλληλων γονότυπων. Εμείς, με τη σειρά μας, συμβουλευόμαστε βιοχημικούς και γενετιστές, σκεφτόμαστε τι μπορούμε να προσφέρουμε σε αυτή τη βάση (τα απαραίτητα χαρακτηριστικά δεν είναι πάντα επαρκώς μελετημένα από βιολογική άποψη). Εξετάζουμε τι μπορούμε πραγματικά να κάνουμε, πραγματοποιούμε το στάδιο της εργασίας μας, επιστρέφουμε τη γραμμή που προκύπτει στον εκτροφέα και ο εκτροφέας φέρνει το αποτέλεσμα στην ποικιλία.
- Είναι η επεξεργασία του γονιδιώματος μια ακριβή τεχνολογία;
V.T.: Το κόστος απόκτησης ενός φυτού εξαρτάται από την καλλιέργεια και από το εάν το φυτό που προκύπτει είναι επεξεργασμένο ή διαγονιδιακό.
Αν μιλάμε για εξοπλισμό, τότε για μια εταιρεία που ασχολείται ήδη με την απόκτηση υλικού χωρίς ιούς και μικροκλωνοποίηση, η αγορά εξοπλισμού και αντιδραστηρίων για επεξεργασία γονιδιώματος θα κοστίσει σχετικά μικρό ποσό. Το εμπόδιο για την έναρξη μιας τέτοιας εργασίας μπορεί να μην είναι το συντριπτικό ύψος της επένδυσης, αλλά η έλλειψη ειδικευμένου προσωπικού. Υπάρχουν πολύ λίγοι άνθρωποι που μπορούν να αναλάβουν και να εκτελέσουν ένα τόσο εξειδικευμένο έργο.
Και επιστρέφοντας στο κόστος: η τεχνολογική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα είναι πολύ γρήγορη. Οι μέθοδοι επεξεργασίας γονιδιώματος, ας πούμε, το 2012, όταν ανακαλύφθηκε το CRISPR/Cas9 (μια τεχνολογία για την επεξεργασία των γονιδιωμάτων ανώτερων οργανισμών, που βασίζεται στο ανοσοποιητικό σύστημα των βακτηρίων) και αυτό που έχουμε τώρα είναι πολύ διαφορετικές. Η λειτουργική απόδοση αυξάνεται χρόνο με το χρόνο και το κόστος μειώνεται.
M.L.: Αυτό μπορεί να συγκριθεί με το έργο αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος. Η αλληλουχία του πρώτου ανθρώπινου γονιδιώματος έγινε από μια διεθνή κοινοπραξία για 10 χρόνια για 2.7 δισεκατομμύρια δολάρια απλώς και μόνο επειδή τέτοιες τεχνολογίες ήταν διαθέσιμες στη δεκαετία του '90. Επί του παρόντος, η αλληλούχιση ενός πλήρους ανθρώπινου γονιδιώματος κοστίζει λιγότερο από 1000 $ και διαρκεί μερικές ημέρες.
– Ας προχωρήσουμε στη συζήτηση για το εργαστήριό σας, επικεντρώνεται στη θεμελιώδη επιστήμη ή στην εφαρμοσμένη έρευνα;
V.T.: Προσπαθούμε να κάνουμε και τα δύο. Αρχικά δόθηκε προτεραιότητα σε θεμελιώδη πράγματα, αλλά τώρα προσπαθούμε να εφαρμόσουμε τις εξελίξεις μας στην πράξη.
Αυτή τη στιγμή, για παράδειγμα, μελετάμε τους μηχανισμούς αντοχής της πατάτας στον ιό Υ. Αυτό είναι πολύ θεμελιώδες έργο, αλλά εάν είναι επιτυχές, το αποτέλεσμα θα είναι πολύ ενδιαφέρον για την επιλογή ανθεκτικών ποικιλιών.
M.L.: Η θεμελιώδης και η εφαρμοσμένη επιστήμη είναι στενά αλληλένδετες· η μία δεν μπορεί να υπάρξει χωρίς την άλλη. Εάν δεν γνωρίζουμε πώς αλληλεπιδρά ο ιός με το φυτό, με ποιες συγκεκριμένες πρωτεΐνες, δεν θα μπορούμε να τις αλλάξουμε για να κάνουμε το φυτό ανθεκτικό.
Διεξάγουμε έρευνα για τον ιό Υ από το 2018 και τώρα πλησιάζουμε στο γεγονός ότι τα επόμενα δύο χρόνια θα αποκτήσουμε μια φόρμουλα αντοχής και στο μέλλον το απαραίτητο πρακτικό αποτέλεσμα: το φυτό πατάτας δεν θα συνθέσει ιικές πρωτεΐνες. θα είναι ανθεκτικό στον ιό.
– Συνεργάζεστε με Ρωσικές εταιρείες εκτροφής/κτηνοτρόφους;
V.T.: Σχετικά με τις πατάτες, συνεργαζόμαστε με μια νεαρή κτηνοτρόφο Maria Polyakova, επικοινωνούμε ενεργά με ειδικούς από την Ένωση Πατάτας και διατηρούμε επαφές με το Ομοσπονδιακό Ερευνητικό Κέντρο Πατάτας που φέρει το όνομά του. Ο Α.Γ. Lorja. Όσον αφορά το λάχανο, αλληλεπιδρούμε με κτηνοτρόφους και καλλιεργητές σπόρων του Ρωσικού Κρατικού Αγροτικού Πανεπιστημίου-Γεωπονικής Ακαδημίας της Μόσχας που φέρει το όνομά του. Κ.Α. Timiryazev του Γρηγόρη και του Σωκράτη Μονάχου. Και σε αυτό που κάνουμε σε αυτόν τον τομέα, καθοδηγούμαστε απόλυτα από αυτούς.
– Και πάλι για τους ιούς. Marina Valerievna, το φάσμα των επιστημονικών σας ενδιαφερόντων δεν περιλαμβάνει μόνο τον ιό Y. Το 2023, λάβατε επιχορήγηση από το Ρωσικό Ίδρυμα Επιστημών για τη διεξαγωγή έρευνας σχετικά με το έργο «Μελέτη ιωμάτων καλλιεργούμενης πατάτας (Solanum tuberosum L.) χρησιμοποιώντας μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας υψηλής απόδοσης». Γιατί είναι ενδιαφέρον αυτό το θέμα;
M.L.: Οι πατάτες, σε μεγαλύτερο βαθμό από πολλά άλλα φυτά, ταλαιπωρούνται από ιογενείς ασθένειες, αφού πολλαπλασιάζονται με βλάστηση. Οι ιοί συσσωρεύονται στους κονδύλους και μεταβιβάζονται στις επόμενες γενιές, επομένως το ιικό φορτίο αυξάνεται συνεχώς. Όταν λένε ότι οι πατάτες εκφυλίζονται, αυτό ακριβώς μιλάμε.
Οι ιοί δεν είναι αδρανή συστήματα· αλληλεπιδρούν ενεργά τόσο με το φυτό-ξενιστή όσο και μεταξύ τους. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου ένα φυτό που είναι ήδη άρρωστο με έναν συγκεκριμένο ιό δεν μπορεί να μολυνθεί από έναν άλλο. Και υπάρχουν ιοί που δεν μπορούν να μολύνουν ένα φυτό μόνοι τους· δρουν μόνο σε συνεργασία με άλλους ιούς. Μόλις πρόσφατα, δημοσιεύτηκε μια εργασία που περιγράφει μορφές ιών που βοηθούν τα φυτά να επιβιώσουν από την ξηρασία. Μια τέτοια απροσδόκητη μετάβαση από τον παρασιτισμό στον αμοιβαίο.
Δεν υπάρχουν αποτελεσματικές χημικές ουσίες για την καταπολέμηση των ιογενών ασθενειών στις πατάτες. Για τη βελτίωση της υγείας του, έχουν αναπτυχθεί αρκετά περίπλοκες και, κυρίως, δαπανηρές μέθοδοι: μέσω καλλιέργειας in vitro, λήψη μικροκονδύλων. Αλλά το αποτέλεσμα διαρκεί μόνο για μερικές γενιές. Για να βρείτε άλλες λύσεις, πρέπει να μελετήσετε τα χαρακτηριστικά των ιών με περισσότερες λεπτομέρειες, επομένως η μελέτη είναι πολύ, πολύ σχετική.
– GOST 33996-2016 «Σπόροι πατάτας. Τεχνικές συνθήκες και μέθοδοι για τον προσδιορισμό της ποιότητας" παρατίθενται πέντε ιοί (PVK - Ιός πατάτας Χ, SBK - ιός πατάτας SBK - Ιός πατάτας MVK - Ιός πατάτας YBK - ιός πατάτας Y, VSLK - ιός κατσαρώματος φύλλων πατάτα) και ένα ιοειδή (PSTV – potato spindle tuber viroid). Θα εστιάσετε σε αυτά;
M.L.: Το έργο μου στοχεύει στη χρήση μεθόδων υψηλής απόδοσης για τη μελέτη αυτών των ιωμάτων (συλλογές ιών) που υπάρχουν στις πατάτες στη Ρωσία. Αυτό είναι ενδιαφέρον τόσο από την άποψη του τι συμπλέγματα διαφορετικών ιών βρίσκονται σε ένα φυτό, όσο και από την άποψη της επικράτησης αυτών των ιών.
Συνολικά, περισσότεροι από 50 ιοί που βρίσκονται στις πατάτες είναι γνωστοί στον κόσμο. Αυτά που αναφέρονται στο GOST είναι από τα πιο επικίνδυνα και επιπλέον έχουν σαφή εξωτερικά σημάδια. Έτσι, η νέκρωση του μωσαϊκού είναι μια κοινή εκδήλωση μόλυνσης από τον ιό Υ και η παρουσία του ιού της μπούκλας των φύλλων μπορεί να προσδιοριστεί από τη χαρακτηριστική παραμόρφωση των λεπίδων των φύλλων.
Υπάρχουν όμως πολλοί ιοί που δεν εκδηλώνονται φαινοτυπικά, αν και μπορούν να έχουν επίδραση και στην καλλιέργεια. Σπάνια ανακαλύπτονται, αλλά μόνο επειδή δεν αναζητούνται.
Ως παράδειγμα, μπορώ να αναφέρω τη δουλειά συναδέλφων από το Πανρωσικό Ινστιτούτο Ερευνών για την Προστασία των Φυτών (VIZR). Το 2019, δημοσίευσαν ένα άρθρο σχετικά με την ανακάλυψη του ιού της πατάτας Ρ στη Ρωσία. Παλαιότερα πίστευαν ότι διανέμονταν αποκλειστικά στη Νότια Αμερική.
Το ερώτημα είναι τι θα ανακαλύψουμε αν κοιτάξουμε όχι «κάτω από το φως του δρόμου» όπου είναι φως, αλλά εκεί που δεν έχουμε κοιτάξει ακόμα.
– Πού θα πραγματοποιήσετε την έρευνά σας;
M.L.: Σύμφωνα με τους όρους της επιχορήγησης, το έργο θα διαρκέσει δύο χρόνια. Πέρυσι συνεργαστήκαμε με ένα αγρόκτημα πατάτας στην περιοχή της Τούλα, συλλέξαμε υλικό, δουλέψαμε με διαφορετικές ποικιλίες και αναπαραγωγές. Φέτος θα πάμε σε άλλες περιοχές και θα δούμε τι ιοί βρίσκονται εκεί.
Τα αποτελέσματα της μελέτης θα συνοψιστούν το 2025 και σίγουρα θα τα πούμε στους Ρώσους καλλιεργητές πατάτας.