روش ویرایش ژنوم نباید با روشهای سنتی انتخاب مخالف باشد. رئیس آزمایشگاه مقاومت به تنش گیاه تاکید می کند: "این یک ابزار جدید است." موسسه تحقیقات بیوتکنولوژی کشاورزی تمام روسیه (VNIISB) واسیلی تارانوف. - روزی روزگاری جراحان با چاقو عمل می کردند، سپس ظاهر می شدند چاقوی جراحی، سپس لیزر. گزینه های کاملاً متفاوتی برای جراحی در دسترس قرار گرفت. بنابراین مهندسی ژنتیک ابزاری را ارائه میکند که با آن میتوانید چیزی را بگیرید و بهبود بخشید، اما همه چیزهایی را که قبلاً استفاده میشد لغو یا جایگزین نمیکند.»
موسسه تحقیقاتی بیوتکنولوژی کشاورزی همه روسیه (VNIISB) آزمایشگاهی برای مقاومت به تنش گیاهی راه اندازی می کند که کار آن در دو جهت اصلی انجام می شود: جستجوی ژن هایی که مقاومت گیاه را در برابر تنش غیر زنده و زیستی تعیین می کنند و ویرایش ژنوم. گیاهان کشت شده به منظور افزایش مقاومت به تنش آنها. منطقه تحقیقاتی دانشمندان شامل سیب زمینی و سبزیجات زمین باز است.
ما با رئیس آزمایشگاه واسیلی تارانوف و محقق ارشد مارینا لبدوا در مورد ویژگی ها و مزایای جدیدترین فن آوری ها، چه نتایجی می توانند به دست آورند و چه مشکلات تولید کنندگان کشاورزی روسیه توسط دانشمندان آزمایشگاهی برای حل آنها استفاده می شود صحبت می کنیم.
- امروز صحبت های زیادی در مورد لزوم تسریع روند انتخاب وجود دارد. اعتقاد بر این است که روش ویرایش ژنوم اجازه انجام این کار را می دهد. درست است؟
V.T.: درست تر است که بگوییم روش های بیوتکنولوژیک نه آنقدر به سرعت بخشیدن به انتخاب کمک می کند بلکه به گسترش توانایی های دانشمندان کمک می کند. روند کار بر روی انواع هنوز بسیار طولانی است، زیرا ما در مورد گیاهانی صحبت می کنیم که چرخه زندگی خاصی دارند.
اما دستیابی به نتایجی که با استفاده از روش های سنتی اصلاح نژاد بسیار دشوار (اگر نه غیرممکن) باشد، برای متخصصان ممکن می شود.
با کمک ویرایش ژنومی، میتوانیم به طور هدفمند جهشی را معرفی کنیم که مستقیماً بر ویژگی خاصی از یک تنوع تأثیر میگذارد، در حالی که بقیه مجموعه صفات با ارزش اقتصادی را بدون تغییر نگه میدارد.
M.L.: تصور کنید که میخواهیم با استفاده از روشهای اصلاح سنتی، یک ژن مقاومت از یک سیبزمینی وحشی را وارد گونههای کشتشده خود کنیم. برای انجام این کار، پرورش دهنده یک سری تلاقی از "وحشی" را با خطوط فرهنگی خاصی انجام می دهد. مشکل این است که همراه با ژن مقاومت، تمام ژنهای «وحشی» دیگر به واریته منتقل میشوند که اغلب بسیار نامطلوب است. مهندسی ژنتیک به شما این امکان را می دهد که فقط یک ژن دلخواه را بگیرید/تغییر دهید.
- این دیدگاه وجود دارد که علیرغم اینکه روش ویرایش ژنوم حدود 10 سال است که شناخته شده است، هنوز نتایج تجاری قابل توجهی به همراه نداشته است.
V.T.: این کاملا درست نیست. شرکت های پیشرو در اصلاح نژاد دنیا از ویرایش ژنوم استفاده می کنند و آن را پنهان نمی کنند. اما ما نمی دانیم که آنها دقیقا چه کار می کنند و چه نتایجی می گیرند.
دستاوردها تبلیغ نمی شوند زیرا عرضه گیاهی به بازار که با روش های مهندسی ژنتیک فرآوری شده است نسبت به گیاهی که به طور سنتی به دست می آید گران تر است. و گاهی اوقات انجام این کار به سادگی غیرممکن است.
در عین حال، اثبات اینکه ویرایش ژنوم برای ایجاد یک تنوع خاص با استفاده از روش های موجود بسیار دشوار است.
در طول آزمایش، متخصصان به دنبال یک توالی نشانگر در ژنوم ارگانیسم میگردند؛ در صورت وجود، گیاه بهعنوان اصلاحشده ژنتیکی شناخته میشود. اما با ویرایش ژنومی، چیزی به ژنوم وارد نمی شود، بنابراین چیزی پیدا نمی شود.
تغییرات اغلب نه تنها یک ژن، بلکه یک مکان خاص در ژن، به معنای واقعی کلمه یک نوکلئوتید، یک حرف را تحت تاثیر قرار می دهد. و میلیاردها نامه باقی مانده به همان شکلی که بود باقی می ماند. برای تعیین اینکه یک گیاه ویرایش شده است، باید در واقع کل ژنوم آن را بخوانید، با پوشش دهی بالاتر از استاندارد برای حذف خطا. هیچ کس چنین تجزیه و تحلیل حجیم و بسیار گرانی را انجام نخواهد داد و پرورش دهنده همیشه می تواند بگوید که گیاه را با استفاده از جهش زایی یا انتخاب سنتی به دست آورده است.
- M.L.: ویرایش ژنوم به طور کلی، و به ویژه تجربه استفاده از این فناوری ها بر روی گیاهان، داستان نسبتاً جدیدی است.
نه به این دلیل که برای تغییر یک ویژگی باید بدانید دقیقا چه چیزی و چگونه آن را ویرایش کنید. صفات گیاهی توسط ژن ها تعیین می شود، اغلب مجموعه ای از ژن ها، که باید از بین آنها اهداف مناسب برای ویرایش انتخاب شود. اما روشن کردن عملکردها و تنظیم ژنهای خاصی که به ویژگیهای مورد علاقه کمک میکنند، نیازمند مطالعات پیچیده و اغلب طولانی است. در مقایسه با حیوانات و انسان ها، می توان گفت که ما بسیاری از مکانیسم های مولکولی صفات گیاهی (مثلاً مقاومت، بهره وری و غیره) را به خوبی نمی دانیم. در عین حال، ژنوم گیاهان بزرگتر و پیچیده تر است، که به هیچ وجه کار را ساده نمی کند. با این حال، در حال حاضر از طریق تحقیقات پایه در زیست شناسی گیاهی چیزهای زیادی شناخته شده است، و هر چه بیشتر این را درک کنیم، امکانات ما برای اصلاح بیشتر می شود.
علاوه بر این، ما در مورد روشی صحبت می کنیم که اصلاح برخی ویژگی ها را ممکن می کند، اما انواع جدیدی را به بازار معرفی نمی کند، کاری که با وجود برخی شتاب ها، هنوز سال ها طول می کشد.
- آیا بیوتکنولوژیست ها ویرایش ژن را انجام می دهند؟ آنها چگونه جهت واقعی کار (هدف ویرایش) را تعیین می کنند؟
V.T.: بیوتکنولوژیست باید در کنار یک پرورش دهنده موفق محصول انتخابی کار کند و در حالت ایده آل، سایر تولیدکنندگان متخصص را درگیر کند. پرورش دهنده به همراه کشاورزان وظیفه را تعیین می کند، پرورش دهنده به انتخاب ژنوتیپ های مناسب کمک می کند. ما به نوبه خود با بیوشیمی ها و ژنتیک ها مشورت می کنیم، فکر می کنیم بر این اساس چه چیزی می توانیم ارائه دهیم (ویژگی های لازم همیشه از نظر بیولوژیکی به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نمی گیرند). ما به آنچه واقعاً می توانیم انجام دهیم نگاه می کنیم، مرحله کار خود را انجام می دهیم، خط حاصل را به پرورش دهنده برمی گردانیم، و پرورش دهنده نتیجه را به تنوع می رساند.
- آیا ویرایش ژنوم یک فناوری گران قیمت است؟
V.T.: هزینه به دست آوردن یک گیاه به محصول و اینکه گیاه حاصل ویرایش شده یا تراریخته است بستگی دارد.
اگر در مورد تجهیزات صحبت کنیم، برای شرکتی که قبلاً مشغول به دست آوردن مواد عاری از ویروس و میکروکلونینگ است، خرید تجهیزات و واکنشگرها برای ویرایش ژنوم هزینه نسبتاً کمی دارد. مانع شروع چنین کاری ممکن است حجم بالای سرمایه گذاری نباشد، بلکه کمبود پرسنل واجد شرایط باشد. افراد کمی هستند که بتوانند چنین وظیفه تخصصی را بر عهده بگیرند و انجام دهند.
و بازگشت به هزینه ها: پیشرفت تکنولوژی در این زمینه بسیار سریع است. روشهای ویرایش ژنوم، مثلاً در سال 2012، زمانی که CRISPR/Cas9 کشف شد (فناوری برای ویرایش ژنوم ارگانیسمهای بالاتر، بر اساس سیستم ایمنی باکتریها)، و آنچه اکنون داریم، بسیار متفاوت است. بهره وری عملیاتی سال به سال افزایش می یابد و هزینه ها کاهش می یابد.
M.L.: این را می توان با پروژه توالی یابی ژنوم انسانی مقایسه کرد. اولین ژنوم انسان توسط یک کنسرسیوم بین المللی به مدت 10 سال به مبلغ 2.7 میلیارد دلار توالی یابی شد، فقط به این دلیل که چنین فناوری هایی در دهه 90 در دسترس بودند. در حال حاضر، تعیین توالی ژنوم کامل انسان کمتر از 1000 دلار هزینه دارد و چند روز طول می کشد.
- اجازه دهید به صحبت در مورد آزمایشگاه شما بپردازیم، آیا این آزمایشگاه روی علوم بنیادی متمرکز است یا تحقیقات کاربردی؟
V.T.: سعی می کنیم هر دو را انجام دهیم. در ابتدا اولویت با موارد اساسی بود، اما اکنون تلاش می کنیم تا پیشرفت های خود را در عمل اعمال کنیم.
در حال حاضر، به عنوان مثال، ما در حال مطالعه مکانیسم های مقاومت سیب زمینی در برابر ویروس Y هستیم. این کار بسیار اساسی است، اما اگر موفقیت آمیز باشد، نتیجه برای انتخاب گونه های مقاوم بسیار جالب خواهد بود.
M.L.: علم بنیادی و کاربردی ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند؛ یکی بدون دیگری نمی تواند وجود داشته باشد. اگر ندانیم ویروس چگونه با گیاه و با کدام پروتئین های خاص تعامل می کند، نمی توانیم آنها را تغییر دهیم تا گیاه مقاوم شود.
ما از سال 2018 در حال انجام تحقیقات روی ویروس Y هستیم و اکنون به این واقعیت نزدیک شده ایم که در یکی دو سال آینده فرمولی برای مقاومت به دست خواهیم آورد و در آینده نتیجه عملی لازم را خواهیم داشت: گیاه سیب زمینی پروتئین های ویروسی را سنتز نمی کند. در برابر ویروس مقاوم خواهد بود.
- آیا با شرکت های پرورش دهنده/ پرورش دهندگان روسی همکاری می کنید؟
V.T.: در مورد سیب زمینی، ما با یک پرورش دهنده جوان ماریا پولیاکوا کار می کنیم، فعالانه با کارشناسان اتحادیه سیب زمینی ارتباط برقرار می کنیم و با مرکز تحقیقات فدرال سیب زمینی به نام این مرکز ارتباط برقرار می کنیم. A.G. لورجا. در مورد کلم، ما با پرورش دهندگان و پرورش دهندگان بذر آکادمی کشاورزی دولتی روسیه - آکادمی کشاورزی مسکو تعامل داریم. ک.ا. تیمیریازف اثر گریگوری و سقراط موناخوس. و در کاری که در این زمینه انجام می دهیم، کاملاً توسط آنها هدایت می شویم.
- و دوباره در مورد ویروس ها. مارینا والریونا، دامنه علایق علمی شما فقط شامل ویروس نیست Y. در سال 2023، شما از بنیاد علوم روسیه کمک مالی دریافت کردید تا تحقیقاتی را در مورد پروژه "مطالعه ویروس های سیب زمینی کشت شده (Solanum tuberosum L.) با استفاده از روش های توالی یابی بالا انجام دهید." چرا این موضوع جالب است؟
M.L.: سیب زمینی بیش از بسیاری از گیاهان دیگر از بیماری های ویروسی رنج می برد، زیرا به صورت رویشی تکثیر می شود. ویروس ها در غده ها جمع می شوند و به نسل های بعدی منتقل می شوند، بنابراین بار ویروسی دائما در حال افزایش است. وقتی می گویند سیب زمینی در حال انحطاط است، دقیقاً در مورد این صحبت می کنیم.
ویروسها سیستمهای بیاثر نیستند؛ آنها به طور فعال هم با گیاه میزبان و هم با یکدیگر تعامل دارند. مواردی وجود دارد که گیاهی که قبلاً به یک ویروس خاص مبتلا شده است نمی تواند به ویروس دیگری آلوده شود. و ویروس هایی هستند که به تنهایی نمی توانند گیاه را آلوده کنند، آنها فقط با همکاری سایر ویروس ها عمل می کنند. اخیراً، اثری منتشر شد که در آن انواع ویروسهایی که به گیاهان کمک میکنند از خشکسالی جان سالم به در ببرند، توصیف میکند. چنین گذار غیرمنتظره ای از انگلی به متقابل گرایی.
هیچ ماده شیمیایی موثری برای مبارزه با بیماری های ویروسی روی سیب زمینی وجود ندارد. برای بهبود سلامت آن، روش های بسیار پیچیده و مهمتر از همه گران قیمت توسعه یافته است: از طریق کشت آزمایشگاهی، به دست آوردن میکرو غده. اما نتیجه فقط برای چند نسل باقی می ماند. برای یافتن راه حل های دیگر، باید ویژگی های ویروس ها را با جزئیات بیشتری مطالعه کنید، بنابراین مطالعه بسیار بسیار مرتبط است.
- GOST 33996-2016 "بذر سیب زمینی. شرایط فنی و روشهای تعیین کیفیت» پنج ویروس را فهرست میکند (PVK - ویروس X سیبزمینی؛ SBK - ویروس سیبزمینی S؛ MVK - ویروس سیبزمینی M؛ YBK - ویروس سیبزمینی Y؛ VSLK - ویروس پیچخوردگی برگ سیب زمینی) و یک ویروئید (PSTV – سیب زمینی اسپیندل غده ویروئید). آیا روی آنها تمرکز خواهید کرد؟
M.L.: هدف پروژه من استفاده از روشهای با کارایی بالا برای مطالعه آن دسته از ویروسها (مجموعههایی از ویروسها) است که روی سیبزمینی در روسیه وجود دارد. این هم از نقطه نظر اینکه چه کمپلکس هایی از ویروس های مختلف روی یک گیاه یافت می شود و هم از نظر شیوع این ویروس ها جالب است.
در کل، بیش از 50 ویروس موجود در سیب زمینی در جهان شناخته شده است. موارد ذکر شده در GOST جزو خطرناک ترین ها هستند و علاوه بر این، علائم خارجی واضحی دارند. بنابراین، نکروز موزاییک یک تظاهرات شایع عفونت ویروس Y است و وجود ویروس پیچش برگ را می توان با تغییر شکل مشخصه تیغه های برگ تعیین کرد.
اما بسیاری از ویروس ها وجود دارند که خود را به صورت فنوتیپی نشان نمی دهند، اگرچه می توانند روی محصول نیز تأثیر بگذارند. آنها به ندرت کشف می شوند، اما فقط به این دلیل که به دنبال آنها نیستند.
به عنوان مثال، می توانم کارهای همکاران موسسه تحقیقاتی حفاظت از گیاهان روسی (VIZR) را ذکر کنم. در سال 2019 آنها مقاله ای در مورد کشف ویروس سیب زمینی P در روسیه منتشر کردند. قبلاً تصور می شد که این ویروس منحصراً در آمریکای جنوبی توزیع می شود.
سوال این است که اگر به «زیر نور خیابان» نگاه نکنیم که نور است، بلکه به جایی که هنوز نگاه نکرده ایم، چه چیزی را کشف خواهیم کرد.
- تحقیقات خود را در کجا انجام خواهید داد؟
M.L.: با توجه به شرایط کمک مالی، این پروژه دو سال به طول خواهد انجامید. سال گذشته ما با یک مزرعه سیب زمینی در منطقه تولا همکاری کردیم، مواد را جمع آوری کردیم، با انواع مختلف و تولید مثل کار کردیم. امسال به مناطق دیگر می رویم و ببینیم چه ویروس هایی در آنجا یافت می شود.
نتایج این مطالعه در سال 2025 خلاصه می شود و ما قطعاً در مورد آنها به پرورش دهندگان سیب زمینی روسی خواهیم گفت.