«Метод геномного редагування не має протиставлятися традиційним методам селекції. Це швидше новий інструмент, – наголошує завідувач лабораторії стресостійкості рослин. Всеросійського науково-дослідного інституту сільськогосподарської біотехнології (ВНДІСБ) Василь Таранов. – Колись хірурги робили операції ножем, потім з'явилися. скальпелі, потім лазери. Хірургії стали доступні інші можливості. Ось і генна інженерія пропонує інструмент, за допомогою якого можна взяти і щось покращити, але він не скасовує та не замінює собою все, що використовувалося раніше».
У Всеросійському науково-дослідному інституті сільськогосподарської біотехнології (ВНДІСБ) діє лабораторія стресостійкості рослин, робота якої ведеться у двох основних напрямках: пошук генів, що визначають стійкість рослин до абіотичного та біотичного стресів, і редагування геному культурних рослин з метою підвищення їх стресу. В область дослідження вчених входять картопля та овочі відкритого ґрунту.
Про те, в чому полягають особливості та переваги новітніх технологій, яких результатів вони дозволяють досягти і для вирішення яких проблем російських сільгоспвиробників їх використовують вчені лабораторії, ми розмовляємо із завідувачем лабораторії Василем Тарановим та старшим науковим співробітником Мариною Лебедєвою.
– Сьогодні багато говорять про необхідність прискорення процесу селекції. Вважається, що метод геномного редагування якраз дозволяє це зробити. Так і є?
В.Т.: Правильніше сказати, що біотехнологічні методи допомагають не так прискорити селекцію, як розширити можливості вчених. Процес роботи над сортом все одно залишається досить тривалим, оскільки йдеться про рослини, які мають певний життєвий цикл.
Але фахівцям стає доступним отримання таких результатів, яких вкрай складно (якщо взагалі можливо) було б домогтися методами традиційної селекції.
За допомогою геномного редагування ми можемо цілеспрямовано внести таку мутацію, яка безпосередньо впливає на певну характеристику сорту, при цьому решта комплексу господарсько-цінних ознак зберегти незмінним.
М.Л.: Уявіть, що ми хочемо внести ген стійкості від дикої форми картоплі до нашого культурного сорту, використовуючи методи традиційної селекції. Для цього селекціонер проводить серію схрещувань «дикуна» з певними культурними лініями. Проблема в тому, що разом із геном стійкості до сорту переходять всі інші «дикі» гени, що найчастіше вкрай небажано. Генна інженерія дозволяє взяти/змінити тільки один необхідний ген.
– Існує думка, що незважаючи на те, що метод геномного редагування відомий вже близько 10 років, він поки не дав помітних комерційних результатів.
В.Т.: Це не зовсім так. Провідні світові селекційні компанії використовують геномне редагування та не приховують цього. Але ми знаємо, що вони роблять і які результати отримують.
Досягнення не афішуються, тому що вивести на ринок рослину, з якою працювали за допомогою методів генної інженерії дорожче, ніж те, що було отримано традиційним шляхом. А іноді це просто зробити неможливо.
При цьому довести, що при створенні того чи іншого ґатунку застосовувалося геномне редагування, існуючими методами дуже складно.
У ході перевірки фахівці шукатимуть маркерну послідовність у геномі організму, за її наявності рослина буде визнана генно-модифікованою. Але при геномному редагуванні в геном нічого не приноситься, тому знайти нічого не можна.
Зміни часто стосуються не просто одного гена, а конкретного місця у гені, буквально одного нуклеотиду, однієї літери. І мільярди літер, що залишилися, залишаються в колишньому вигляді. Щоб визначити, що рослина піддавалася редагуванню, потрібно фактично прочитати його геном цілком, причому з покриттям у десять разів вище за стандартне, щоб виключити помилку. Робити такий об'ємний та дуже дорогий аналіз ніхто не буде, і селекціонер завжди може сказати, що отримав рослину за допомогою мутагенезу чи методом традиційної селекції.
- М.Л.: Геномне редагування взагалі, особливо досвід застосування цих технологій на рослинах – досить недавня історія.
Не в останню чергу через те, що для зміни ознаки потрібно знати, що саме і як редагувати. Ознаки рослини визначаються генами, найчастіше сукупністю генів, у тому числі потрібно вибирати відповідні мішені для редагування. Але для з'ясування функцій і регуляції конкретних генів, які вносять внесок у ознаки, що цікавлять нас, необхідно проводити складні і найчастіше тривалі дослідження. Якщо порівнювати з тваринами та людьми, то можна сказати, що багато молекулярних механізмів ознак рослин (наприклад, стійкість, врожайність тощо) ми знаємо не дуже добре. При цьому геноми рослин більші і складніші, що зовсім не спрощує завдання. Однак багато вже відомо завдяки фундаментальним дослідженням у галузі біології рослин, і чим далі ми з цим розуміємося, тим наші можливості для модифікації збільшуються.
До того ж йдеться саме про метод, що дозволяє коригувати певні ознаки, але не виводити на ринок нові сорти, робота над якими, незважаючи на деяке прискорення, все одно займає роки.
– Редагування генів займаються біотехнологи? Як вони визначають актуальний напрямок роботи (мета для редагування)?
В.Т.: Біотехнолог повинен працювати у тандемі з успішним селекціонером з обраної культури та в ідеалі залучати інших фахівців-виробників. Селекціонер разом із аграріями ставлять завдання, селекціонер допомагає вибрати відповідні генотипи. Ми у свою чергу радимося з біохіміками, генетиками, думаємо, що ми можемо за цією ознакою запропонувати (не завжди потрібні ознаки досить вивчені з біологічної точки зору). Ми дивимося, що можемо зробити, виконуємо свій етап роботи, отриману лінію повертаємо селекціонеру, і селекціонер вже доводить результат до сорту.
- Геномне редагування – це дорога технологія?
В.Т.: Вартість отримання рослини залежить від культури і від того, чи буде отримана рослина відредагованою або трансгенною.
Якщо говорити про оснащення, то для компанії, яка вже займається отриманням безвірусного матеріалу, мікроклонування, придбання обладнання та реактивів для геномного редагування, коштуватиме порівняно невелику суму. Перешкодою для початку такої роботи може стати не непосильний обсяг вкладень, а брак кваліфікованих кадрів. Людей, які можуть взяти та виконати таке спеціалізоване завдання, дуже мало.
І повертаючись до витрат: технічний прогрес у цій галузі йде дуже швидко. Методи геномного редагування, скажімо, у 2012 році, коли відкрили CRISPR/Cas9 (технологію редагування геномів вищих організмів, що базується на імунній системі бактерій), і те, що зараз є, дуже відрізняються. Ефективність роботи з року в рік підвищується, а собівартість знижується.
М.Л.: Це можна порівняти із проектом секвенування геному людини. Перший людський геном секвенували міжнародним консорціумом 10 років за 2.7 млрд. доларів просто тому, що в 90-х роках були такі технології. Зараз відсеквенувати повний людський геном коштує дешевше за 1000 доларів і займе кілька днів.
– Перейдемо до розмови про вашу лабораторію, чи вона орієнтована на фундаментальну науку чи прикладні дослідження?
В.Т.: Ми намагаємося займатися і тим, і іншим. Спочатку пріоритет віддавали фундаментальним речам, але зараз намагаємось докласти напрацювання до практики.
В даний момент, наприклад, ми вивчаємо механізми стійкості картоплі до вірусу Y. Це велика фундаментальна робота, але при успіху результат буде дуже цікавим для селекції стійких сортів.
М.Л.: Фундаментальна та прикладна наука тісно взаємопов'язані, одне без іншого не може існувати. Якщо ми не дізнаємося, як вірус взаємодіє з рослиною, з якими саме білками, ми не зможемо їх змінити, щоб рослина стала стійкою.
Дослідження щодо вірусу Y ми ведемо з 2018 року і зараз наближаємося до того, щоб у найближчі пару років отримати формулу стійкості, а в перспективі і необхідний практичний результат: у рослині картоплі не синтезуватимуться вірусні білки, вона буде стійкою до потрапляння вірусу.
- Ви співпрацюєте з російськими селекційними компаніями/селекціонерами?
В.Т.: По картоплі ми працюємо з молодим селекціонером Марією Поляковою, активно спілкуємося з експертами Картопляної Спілки, підтримуємо контакти з ФІЦ картоплі ім. А.Г. Лорха. Щодо капусти, ми взаємодіємо з селекціонерами та насінниками РДАУ-МСГА ім. К.А. Тимірязєва Григорієм та Сократом Монахосами. І в тому, чим ми займаємося в цьому напрямі, повністю орієнтуємося на них.
– І знову про віруси. Марино Валеріївно, у ваше коло наукових інтересів входить не тільки вірус Y. У 2023 році ви отримали грант Російського наукового фонду на проведення дослідження щодо проекту «Вивчення віромів культурної картоплі (Solanum tuberosum L.) методами високопродуктивного секвенування». Чим ця тема цікава?
М.Л.: Картопля більшою мірою, ніж багато інших рослин, страждає від вірусних захворювань, оскільки його розмножують вегетативно. Віруси накопичуються в бульбах і передаються наступним поколінням, таким чином вірусне навантаження постійно зростає. Коли кажуть, що картопля вироджується, йдеться саме про це.
Віруси є інертними системами, вони активно взаємодіють і з рослиною-господарем, і друг з одним. Відомі випадки, коли рослина, яка вже хворіє на певний вірус, не може заразитися іншим. А є віруси, які не можуть заразити рослину поодинці, вони діють лише в кооперації з іншими вірусами. Буквально нещодавно була опублікована робота, яка описує форми вірусів, які допомагають пережити рослинам посуху. Такий несподіваний перехід від паразитизму до мутуалізму.
Ефективних хімічних препаратів для боротьби з вірусними хворобами на картоплі немає. Для його оздоровлення розроблено досить складні, і головне дорогі методи: проведення через культуру in vitro, отримання мікроклубнів. Але результату вистачає лише на кілька поколінь. Щоб знайти інші рішення, потрібно докладніше вивчити особливості вірусів, тому дослідження дуже актуальне.
– У ГОСТ 33996-2016 «Картопля насіннєва. Технічні умови та методи визначення якості» перераховано п'ять вірусів (ХВК – X вірус картоплі; SBK – S вірус картоплі; МВК – М вірус картоплі; YBK – Y вірус картоплі; ВСЛК – вірус скручування листя картоплі) та один віроїд (ВВКК – віроїд веретеновидності бульб картоплі). Ви зосередитеся на них?
М.Л.: Мій проект спрямовано застосування високопродуктивних методів вивчення тих віромів (сукупностей вірусів), які є на картоплі у Росії. Це цікаво як з погляду того, які комплекси різних вірусів зустрічаються однією рослині, і з погляду поширеності цих вірусів.
Загалом у світі відомо понад 50 вірусів, знайдених на картоплі. Ті, що перераховані в ДЕРЖСТАНДАРТ, відносяться до найбільш небезпечних, а крім того, вони мають яскраві зовнішні ознаки. Так, частими проявами зараження вірусом Y є мозаїчні некрози, а присутність вірусу скручування листя можна визначити характерною деформацією листових пластин.
Але є багато вірусів, які фенотипно ніяк не виявляються, хоча теж можуть впливати на культуру. Їх рідко виявляють, але лише тому, що не шукають.
Як приклад можу навести роботу колег із Всеросійського науково-дослідного інституту захисту рослин (ВІЗР). У 2019 році вони опублікували статтю про виявлення в Росії вірусу картоплі P. Раніше вважалося, що вона поширена виключно в Південній Америці.
Питання в тому, що ми виявимо, якщо шукатимемо не під ліхтарем, де світло, а там, де ще не шукали.
– А де ви проводитимете дослідження?
М.Л.: Згідно з умовами гранту, проект триватиме два роки. Минулого року ми співпрацювали з картоплярським господарством Тульської області, збирали матеріал, працювали з різними сортами та репродукціями. Цього року поїдемо до інших регіонів, дивитимемося, які віруси там зустрічаються.
Підсумки дослідження будуть підбиті в 2025 році, і ми обов'язково розповімо про них російським картоплеводам.