「基因組編輯方法不應該與傳統的選擇方法相對立。 「這是一個相當新的工具,」植物抗逆實驗室負責人強調道 全俄農業生物技術研究所(VNIISB)瓦西里·塔拉諾夫。 – 曾幾何時,外科醫生用刀進行手術,然後他們出現了 手術刀,然後是雷射。手術有了完全不同的選擇。因此,基因工程提供了一種工具,你可以利用它來改進某些東西,但它不會取消或取代以前使用的所有東西。”
全俄農業生物技術研究所(VNIISB)經營一個植物抗逆實驗室,其工作主要有兩個方向:尋找決定植物對非生物和生物脅迫抗性的基因,以及編輯基因組栽培植物,以提高其抗逆性。科學家的研究領域包括馬鈴薯和露地蔬菜。
我們與實驗室負責人瓦西里·塔拉諾夫(Vasily Taranov)和高級研究員瑪麗娜·列別傑娃(Marina Lebedeva)討論了最新技術的特點和優勢,它們可以取得什麼成果,以及實驗室科學家用它們來解決俄羅斯農業生產者的哪些問題。
– 今天有很多關於加快選擇過程的必要性的討論。據信基因組編輯方法可以做到這一點。這是真實的?
VT: 更正確的說法是,生物技術方法與其說有助於加速選擇,不如說有助於擴展科學家的能力。開發品種的過程仍然相當漫長,因為我們談論的是具有一定生命週期的植物。
但專家有可能獲得使用傳統育種方法極其困難(如果不是不可能)實現的結果。
借助基因組編輯,我們可以有目的地引入直接影響品種特定特徵的突變,同時保持具有經濟價值的複合性狀的其餘部分不變。
ML: 想像一下,我們想要使用傳統育種方法將野生馬鈴薯的抗性基因引入我們的栽培品種中。為此,飼養員對「野蠻人」與某些文化線進行了一系列雜交。問題在於,除了抗性基因之外,所有其他「野生」基因都被轉移到該品種中,這通常是極其不可取的。基因工程允許您僅獲取/改變一個所需的基因。
– 有觀點認為,儘管基因組編輯方法已為人所知約10年,但尚未產生明顯的商業成果。
VT: 這並不完全正確。世界領先的育種公司使用基因組編輯並且不隱藏它。但我們不知道他們到底做了什麼以及他們得到了什麼結果。
成果沒有被宣傳,因為將使用基因工程方法加工的植物推向市場比傳統方法獲得的植物更昂貴。有時這是根本不可能做到的。
同時,利用現有方法很難證明基因組編輯被用來創造特定品種。
在測試過程中,專家將在生物體基因組中尋找標記序列;如果存在,該植物將被識別為基因改造植物。但透過基因組編輯,基因組中不會引入任何內容,因此什麼也找不到。
變化通常不僅影響一個基因,還會影響基因中的一個特定位置,實際上是一個核苷酸、一個字母。剩下的數十億封信仍保持原樣。要確定植物是否已編輯,您需要實際讀取其整個基因組,覆蓋範圍比標準高十倍,以消除錯誤。沒有人會做如此大量且非常昂貴的分析,育種者總是可以說他是透過誘變或傳統選擇來獲得植物的。
– M.L.: 一般來說,基因組編輯,尤其是在植物上使用這些技術的經驗,是一個相當新的故事。
尤其是因為要更改某個功能,您需要知道具體內容以及如何編輯它。植物性狀由基因決定,通常是一組基因,必須從中選擇適當的編輯目標。但是,闡明有助於感興趣性狀的特定基因的功能和調控需要複雜且通常漫長的研究。與動物和人類相比,我們可以說,我們對植物性狀的許多分子機制(例如,抗性、生產力等)還不太了解。同時,植物基因組更大、更複雜,這根本沒有簡化任務。然而,透過植物生物學的基礎研究已經知道了很多,我們對這一點了解得越多,我們修改它的能力就越強。
此外,我們正在討論一種方法,可以糾正某些特徵,但不能向市場推出新品種,儘管速度有所加快,但仍需要數年時間。
– 生物技術學家進行基因編輯嗎?他們如何確定作品的實際方向(編輯的目的)?
VT: 生物技術專家必須與所選作物的成功育種者合作,最好還包括其他專業生產者。育種者與農民一起設定任務,育種者幫助選擇合適的基因型。反過來,我們諮詢生物化學家和遺傳學家,我們認為在此基礎上我們可以提供什麼(從生物學角度來看,必要的特徵並不總是得到充分研究)。我們著眼於我們實際可以做什麼,執行我們的工作階段,將得到的品系返回給育種者,然後育種者將結果帶給品種。
- 基因組編輯是一項昂貴的技術嗎?
VT: 獲得植物的成本取決於作物以及所得植物是否經過編輯或基因改造。
如果我們談論設備,那麼對於一家已經從事脫病毒材料獲取和微克隆的公司來說,購買用於基因組編輯的設備和試劑將花費相對較少的費用。進行這項工作的障礙可能不是巨大的投資,而是缺乏合格的人員。很少有人能夠承擔並執行如此專業的任務。
回到成本:這個領域的技術進步非常快。比方說,2012 年 CRISPR/Cas9(一種基於細菌免疫系統編輯高等生物基因組的技術)被發現時的基因組編輯方法與我們現在所擁有的方法有很大不同。營運效率逐年提高,成本逐年下降。
ML: 這可以與人類基因組測序項目進行比較。第一個人類基因組定序是由一個國際財團花費 10 年、耗資 2.7 億美元完成的,因為此類技術在 90 年代就已經出現。目前,對完整人類基因組進行定序的成本不到 1000 美元,並且需要幾天時間。
– 讓我們繼續談談您的實驗室,它專注於基礎科學還是應用研究?
VT: 我們嘗試兩者兼得。最初,我們優先考慮基礎性的事情,但現在我們正在嘗試將我們的發展應用於實踐。
例如,目前我們正在研究馬鈴薯對Y病毒的抗性機制。這是一項大量的基礎工作,但如果成功,結果對於抗性品種的選擇將是非常有趣的。
ML: 基礎科學和應用科學緊密相連;缺一不可。如果我們不知道病毒如何與植物相互作用,以及與哪些特定蛋白質相互作用,我們將無法改變它們以使植物產生抗性。
我們自2018 年以來一直在對Y 病毒進行研究,現在正在接近這樣一個事實:在未來幾年內,我們將獲得抗性公式,並在未來獲得必要的實際結果:馬鈴薯植物不會合成病毒蛋白,它不會合成病毒蛋白。就會對病毒產生抵抗力。
– 你們與俄羅斯育種公司/育種家合作嗎?
VT: 在馬鈴薯方面,我們與年輕育種家瑪麗亞·波利亞科娃(Maria Polyakova)合作,積極與馬鈴薯聯盟的專家交流,並與以馬鈴薯命名的聯邦馬鈴薯研究中心保持聯繫。 A.G.洛爾哈。至於捲心菜,我們與以俄羅斯國立農業大學莫斯科農業學院命名的育種者和種子種植者互動。 K A。格里戈里和蘇格拉底·莫納喬斯的《蒂米里亞澤夫》。我們在這領域所做的工作完全受到他們的指導。
– 再一次關於病毒。 Marina Valerievna,您的科學興趣範圍不僅包括病毒 Y。 2023年,您獲得了俄羅斯科學基金會的資助,用於開展「利用高通量測序方法研究栽培馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)病毒組」計畫的研究。為什麼這個話題很有趣?
ML: 馬鈴薯比許多其他植物更容易遭受病毒性疾病,因為它們是無性繁殖的。病毒在塊莖中積聚並傳遞給下一代,因此病毒量不斷增加。當他們說馬鈴薯正在變質時,這正是我們所說的。
病毒不是惰性系統;它們積極地與宿主植物和彼此相互作用。在某些情況下,已經感染一種特定病毒的植物無法感染另一種病毒。有些病毒不能單獨感染植物;它們只能與其他病毒合作發揮作用。就在最近,發表了一篇文章,描述了幫助植物抵抗乾旱的病毒形式。從寄生到共生的轉變是出乎意料的。
沒有有效的化學物質來對抗馬鈴薯病毒性疾病。為了改善其健康,已經開發出相當複雜且最重要的是昂貴的方法:透過體外培養,獲得微塊莖。但結果只能持續幾代。要找到其他的解決方案,就需要更詳細地研究病毒的特徵,所以這項研究是非常非常相關的。
– GOST 33996-2016 「馬鈴薯種子。品質判定技術條件與方法」列出了五種病毒(PVK-X馬鈴薯病毒;SBK-S馬鈴薯病毒;MVK-M馬鈴薯病毒;YBK-Y馬鈴薯病毒;VSLK-捲葉病毒) 馬鈴薯)和一種類病毒(PSTV – 馬鈴薯紡錘塊莖類病毒)。你會專注於他們嗎?
ML: 我的專案旨在使用高通量方法來研究俄羅斯馬鈴薯上存在的病毒組(病毒集合)。從在一種植物上發現的不同病毒複合物的角度以及從這些病毒的流行程度的角度來看,這都很有趣。
全世界已知在馬鈴薯上發現的病毒總共有 50 多種。 GOST中列出的屬於最危險的,此外,它們還有明顯的外部標誌。因此,花葉壞死是Y病毒感染的常見表現,而捲葉病毒的存在可以透過葉片的特徵性變形來確定。
但有許多病毒並沒有表現出自己的表型,儘管它們也可以對作物產生影響。它們很少被發現,只是因為沒有人去找它們。
作為一個例子,我可以引用全俄羅斯植物保護研究所(VIZR)同事的工作。 2019年,他們發表了一篇關於在俄羅斯發現馬鈴薯病毒P的文章,此前認為它只分佈在南美洲。
問題是,如果我們不看「路燈下」有光的地方,而是看我們還沒看過的地方,我們會發現什麼。
– 您將在哪裡進行研究?
ML: 根據贈款條款,該計畫將耗時兩年。去年,我們與圖拉地區的馬鈴薯農場合作,收集材料,研究不同的品種和繁殖。今年我們會去其他地區,看看那裡發現了什麼病毒。
研究結果將於2025年總結,我們一定會告訴俄羅斯馬鈴薯種植者。