"Metoden til genomredigering bør ikke være i modsætning til traditionelle selektionsmetoder. "Dette er snarere et nyt værktøj," understreger lederen af laboratoriet for plantestressresistens All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) Vasily Taranov. – Engang foretog kirurger operationer med en kniv, så dukkede de op skalpeller, derefter lasere. Helt andre muligheder blev tilgængelige for operation. Så genteknologi tilbyder et værktøj, som du kan tage og forbedre noget med, men det annullerer eller erstatter ikke alt, hvad der blev brugt tidligere."
All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology (VNIISB) driver et laboratorium for plantestressresistens, hvis arbejde udføres i to hovedretninger: søgningen efter gener, der bestemmer planteresistens over for abiotisk og biotisk stress, og redigering af genomet af dyrkede planter for at øge deres stressresistens. Forskernes forskningsområde omfatter kartofler og frilandsgrøntsager.
Vi taler med laboratoriechefen Vasily Taranov og seniorforsker Marina Lebedeva om, hvad funktionerne og fordelene ved de nyeste teknologier er, hvilke resultater de kan opnå, og hvilke problemer med russiske landbrugsproducenter, de bruges af laboratorieforskere til at løse.
– I dag tales der meget om behovet for at fremskynde udvælgelsesprocessen. Det menes, at metoden til genomredigering gør det muligt at gøre dette. Det er rigtigt?
V.T.: Det ville være mere korrekt at sige, at bioteknologiske metoder ikke hjælper så meget til at fremskynde udvælgelsen som til at udvide videnskabsmændenes muligheder. Processen med at arbejde på en sort er stadig ret lang, da vi taler om planter, der har en vis livscyklus.
Men det bliver muligt for specialister at opnå resultater, der ville være ekstremt vanskelige (hvis ikke umulige) at opnå ved brug af traditionelle avlsmetoder.
Ved hjælp af genomisk redigering kan vi målrettet introducere en mutation, der direkte påvirker en specifik karakteristik af en sort, samtidig med at resten af komplekset af økonomisk værdifulde egenskaber holdes uændret.
M.L.: Forestil dig, at vi vil introducere et resistensgen fra en vild kartoffel i vores dyrkede sort ved hjælp af traditionelle forædlingsmetoder. For at gøre dette udfører opdrætteren en række krydsninger af "vilden" med visse kulturelle linjer. Problemet er, at sammen med resistensgenet overføres alle andre "vilde" gener til sorten, hvilket oftest er ekstremt uønsket. Genteknologi giver dig mulighed for at tage/ændre kun ét ønsket gen.
– Der er et synspunkt om, at på trods af at metoden til genomredigering har været kendt i omkring 10 år, har den endnu ikke givet mærkbare kommercielle resultater.
V.T.: Dette er ikke helt rigtigt. Verdens førende avlsvirksomheder bruger genomredigering og skjuler det ikke. Men vi ved ikke, hvad de præcist gør, og hvilke resultater de får.
Præstationer annonceres ikke, fordi det er dyrere at bringe en plante på markedet, der er blevet forarbejdet ved hjælp af gensplejsningsmetoder, end en, der er opnået traditionelt. Og nogle gange er dette simpelthen umuligt at gøre.
Samtidig er det meget svært at bevise, at genomredigering blev brugt til at skabe en bestemt sort ved hjælp af eksisterende metoder.
Under testen vil specialister lede efter en markørsekvens i organismens genom; hvis den er til stede, vil planten blive genkendt som genetisk modificeret. Men med genomisk redigering indføres intet i genomet, så intet kan findes.
Ændringer påvirker ofte ikke kun ét gen, men et bestemt sted i genet, bogstaveligt talt ét nukleotid, ét bogstav. Og de resterende milliarder af breve forbliver, som de var. For at fastslå, at en plante er blevet redigeret, skal du faktisk læse hele dens genom, med en dækning ti gange højere end standarden for at eliminere fejl. Ingen vil lave en så omfangsrig og meget dyr analyse, og opdrætteren kan altid sige, at han har fået planten ved hjælp af mutagenese eller traditionel selektion.
– M.L.: Genomredigering generelt, og især oplevelsen af at bruge disse teknologier på planter, er en ret ny historie.
Ikke mindst fordi du for at ændre en funktion skal vide præcis, hvad og hvordan du skal redigere den. Planteegenskaber bestemmes af gener, oftest et sæt gener, hvorfra egnede mål til redigering skal udvælges. Men at belyse funktionerne og reguleringen af specifikke gener, der bidrager til træk af interesse, kræver komplekse og ofte langvarige undersøgelser. Sammenlignet med dyr og mennesker kan vi sige, at vi ikke kender mange af planteegenskabernes molekylære mekanismer (f.eks. resistens, produktivitet osv.) særlig godt. Samtidig er plantegenomerne større og mere komplekse, hvilket slet ikke forenkler opgaven. Meget er dog allerede kendt gennem grundforskning i plantebiologi, og jo mere vi forstår dette, jo mere stiger vores muligheder for modifikation.
Derudover taler vi om en metode, der gør det muligt at korrigere visse egenskaber, men ikke at introducere nye sorter til markedet, som arbejde på trods af en vis acceleration stadig tager år.
– Laver bioteknologer genredigering? Hvordan bestemmer de den faktiske retning af værket (formålet med redigering)?
V.T.: Bioteknologen skal arbejde sammen med en succesfuld forædler af den valgte afgrøde og ideelt set inddrage andre specialiserede producenter. Opdrætteren stiller sammen med landmændene opgaven, opdrætteren hjælper med at udvælge egnede genotyper. Vi rådfører os til gengæld med biokemikere og genetikere, vi tænker, hvad vi kan tilbyde på dette grundlag (de nødvendige egenskaber er ikke altid tilstrækkeligt undersøgt fra et biologisk synspunkt). Vi ser på, hvad vi faktisk kan gøre, udfører vores arbejdsfase, returnerer den resulterende linje til forædleren, og forædleren bringer resultatet til sorten.
- Er genomredigering en dyr teknologi?
V.T.: Omkostningerne ved at få en plante afhænger af afgrøden og om den resulterende plante er redigeret eller transgen.
Hvis vi taler om udstyr, så for en virksomhed, der allerede er engageret i at opnå virusfrit materiale og mikrokloning, vil køb af udstyr og reagenser til genomredigering koste et relativt lille beløb. Hindringen for at starte et sådant arbejde er måske ikke den overvældende mængde investeringer, men manglen på kvalificeret personale. Der er meget få mennesker, der kan påtage sig og udføre en så specialiseret opgave.
Og for at vende tilbage til omkostningerne: Den teknologiske udvikling på dette område er meget hurtig. Metoderne til genomredigering, f.eks. i 2012, da CRISPR/Cas9 blev opdaget (en teknologi til redigering af genomerne fra højere organismer, baseret på bakteriernes immunsystem), og hvad vi har nu, er meget forskellige. Driftseffektiviteten øges år for år, og omkostningerne falder.
M.L.: Dette kan sammenlignes med det menneskelige genom-sekventeringsprojekt. Det første menneskelige genom blev sekventeret af et internationalt konsortium i 10 år for 2.7 milliarder dollars, simpelthen fordi sådanne teknologier var tilgængelige i 90'erne. I øjeblikket koster sekventering af et komplet menneskeligt genom mindre end $1000 og tager et par dage.
– Lad os gå videre til at tale om dit laboratorium, er det fokuseret på grundlæggende videnskab eller anvendt forskning?
V.T.: Vi prøver at gøre begge dele. I starten blev der prioriteret grundlæggende ting, men nu forsøger vi at anvende vores udvikling til praksis.
I øjeblikket studerer vi for eksempel mekanismerne for kartoffelresistens over for virus Y. Dette er meget grundlæggende arbejde, men hvis det lykkes, vil resultatet være meget interessant for udvælgelsen af resistente sorter.
M.L.: Grundlæggende og anvendt videnskab er tæt forbundet, det ene kan ikke eksistere uden det andet. Hvis vi ikke ved, hvordan virussen interagerer med planten, med hvilke specifikke proteiner, vil vi ikke være i stand til at ændre dem for at gøre planten resistent.
Vi har forsket i virus Y siden 2018 og nærmer os nu, at vi i løbet af de næste par år vil opnå en formel for resistens og i fremtiden det nødvendige praktiske resultat: kartoffelplanten vil ikke syntetisere virale proteiner, den vil være resistent over for virussen.
– Samarbejder du med russiske avlsselskaber/opdrættere?
V.T.: Med hensyn til kartofler arbejder vi med en ung opdrætter Maria Polyakova, kommunikerer aktivt med eksperter fra kartoffelunionen og opretholder kontakter med kartoffelforbundets forskningscenter opkaldt efter. A.G. Lorja. Hvad angår kål, interagerer vi med opdrættere og frøavlere fra Russian State Agrarian University-Moscow Agricultural Academy opkaldt efter. K.A. Timiryazev af Grigory og Socrates Monachos. Og i det, vi gør på dette område, er vi fuldstændig styret af dem.
– Og igen om vira. Marina Valerievna, din række af videnskabelige interesser omfatter ikke kun virussen Y. I 2023 modtog du en bevilling fra Russian Science Foundation til at udføre forskning i projektet "Studie af viromer af dyrkede kartofler (Solanum tuberosum L.) ved hjælp af high-throughput sekventeringsmetoder." Hvorfor er dette emne interessant?
M.L.: Kartofler lider i højere grad end mange andre planter af virussygdomme, da de formeres vegetativt. Vira ophobes i knolde og overføres til næste generationer, så virusmængden vokser konstant. Når de siger, at kartofler degenererer, er det netop det, vi taler om.
Vira er ikke inerte systemer; de interagerer aktivt med både værtsplanten og hinanden. Der er tilfælde, hvor en plante, der allerede er syg med én specifik virus, ikke kan blive inficeret med en anden. Og der er vira, der ikke kan inficere en plante alene; de virker kun i samarbejde med andre vira. For nylig blev der offentliggjort et værk, der beskriver former for vira, der hjælper planter med at overleve tørke. Sådan en uventet overgang fra parasitisme til gensidighed.
Der er ingen effektive kemikalier til at bekæmpe virussygdomme på kartofler. For at forbedre dets sundhed er der udviklet ret komplekse og, vigtigst af alt, dyre metoder: gennem in vitro-kultur, opnåelse af mikroknolde. Men resultatet holder kun i et par generationer. For at finde andre løsninger skal du studere viruss egenskaber mere detaljeret, så undersøgelsen er meget, meget relevant.
– GOST 33996-2016 “Lægekartofler. Tekniske forhold og metoder til kvalitetsbestemmelse" er anført fem vira (PVK - X kartoffelvirus; SBK - S kartoffelvirus; MVK - M kartoffelvirus; YBK - Y kartoffelvirus; VSLK - bladkrøllevirus kartoffel) og en viroid (PSTV – potato spindle tuber viroid). Vil du fokusere på dem?
M.L.: Mit projekt har til formål at bruge high-throughput metoder til at studere de viromer (samlinger af vira), der er til stede på kartofler i Rusland. Dette er interessant både ud fra et synspunkt om, hvilke komplekser af forskellige vira der findes på en plante, og ud fra et synspunkt om udbredelsen af disse vira.
I alt er mere end 50 vira fundet på kartofler kendt i verden. Dem, der er opført i GOST, er blandt de farligste, og derudover har de tydelige ydre tegn. Mosaiknekrose er således en almindelig manifestation af virus Y-infektion, og tilstedeværelsen af bladkrøllevirus kan bestemmes ved den karakteristiske deformation af blade.
Men der er mange vira, som ikke viser sig fænotypisk, selvom de også kan have en effekt på afgrøden. De bliver sjældent opdaget, men kun fordi de ikke bliver ledt efter.
Som et eksempel kan jeg nævne arbejdet fra kolleger fra Det All-Russiske Forskningsinstitut for Plantebeskyttelse (VIZR). I 2019 udgav de en artikel om opdagelsen af kartoffelvirus P i Rusland. Tidligere troede man, at den udelukkende blev distribueret i Sydamerika.
Spørgsmålet er, hvad vi vil opdage, hvis vi ikke kigger "under gadelyset", hvor det er lyst, men hvor vi endnu ikke har kigget.
– Hvor vil du udføre din forskning?
M.L.: I henhold til bevillingsvilkårene vil projektet tage to år. Sidste år samarbejdede vi med en kartoffelfarm i Tula-regionen, indsamlede materiale, arbejdede med forskellige sorter og reproduktioner. I år vil vi tage til andre regioner og se, hvilke vira der findes der.
Resultaterne af undersøgelsen vil blive opsummeret i 2025, og vi vil helt sikkert fortælle russiske kartoffelavlere om dem.