Расширяя возможности селекции

18 марта 2024

Во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной биотехнологии (ВНИИСБ) действует лаборатория стрессоустойчивости растений, работа которой ведется в двух основных направлениях: поиск генов, определяющих устойчивость растений к абиотическому и биотическому стрессам, и редактирование генома культурных растений с целью повышения их стрессоустойчивости. В область исследования ученых входят картофель и овощи открытого грунта.

О том, в чем заключаются особенности и преимущества новейших технологий, каких результатов они позволяют добиться и для решения каких проблем российских сельхозпроизводителей их используют ученые лаборатории, мы разговариваем с заведующим лабораторией Василием Тарановым и старшим научным сотрудником Мариной Лебедевой.

– Сегодня много говорят о необходимости ускорения процесса селекции. Считается, что метод геномного редактирования как раз позволяет это сделать. Так и есть?

В.Т.: Правильнее сказать, что биотехнологические методы помогают не столько ускорить селекцию, сколько расширить возможности ученых. Процесс работы над сортом все равно остается достаточно длительным, так как речь идет о растениях, которые имеют определенный жизненный цикл.

Но специалистам становится доступно получение таких результатов, которых крайне сложно (если вообще возможно) было бы добиться методами традиционной селекции.

С помощью геномного редактирования мы можем целенаправленно внести такую мутацию, которая напрямую влияет на какую-то определенную характеристику сорта, при этом остальной комплекс хозяйственно-ценных признаков сохранить неизменным.

М.Л.: Представьте, что мы хотим привнести ген устойчивости от дикой формы картофеля в наш культурный сорт, используя методы традиционной селекции. Для этого селекционер проводит серию скрещиваний «дикаря» с определенными культурными линиями. Проблема в том, что вместе с геном устойчивости сорту переходят все остальные «дикие» гены, что чаще всего крайне нежелательно. Генная инженерия как раз позволяет взять/изменить только один нужный ген.

– Существует точка зрения, что несмотря на то, что метод геномного редактирования известен уже около 10 лет, он пока не дал заметных коммерческих результатов.

 В.Т.: Это не совсем так. Ведущие мировые селекционные компании используют геномное редактирование и не скрывают этого. Но мы не знаем, что конкретно они делают и какие результаты получают.

Достижения не афишируются, потому что вывести на рынок растение, с которым работали при помощи методов генной инженерии дороже, чем то, что было получено традиционным путем. А иногда это просто сделать невозможно.

При этом доказать, что при создании того или иного сорта применялось геномное редактирование, существующими методами очень сложно.

В ходе проверки специалисты будут искать маркерную последовательность в геноме организма, при ее наличии растение будет признано генно-модифицированным. Но при геномном редактировании в геном ничего не привносится, поэтому и найти ничего нельзя.

Изменения часто касаются не просто одного гена, а конкретного места в гене, буквально одного нуклеотида, одной буквы. И оставшиеся миллиарды букв остаются в прежнем виде. Чтобы определить, что растение подвергалось редактированию, нужно фактически прочитать его геном целиком, причем с покрытием в десять раз выше стандартного, чтобы исключить ошибку. Делать такой объемный и очень дорогостоящий анализ никто не будет, и селекционер всегда может сказать, что получил растение при помощи мутагенеза или методом традиционной селекции.

– М.Л.: Геномное редактирование вообще, и особенно опыт применения этих технологий на растениях – достаточно недавняя история.

Не в последнюю очередь из-за того, что для изменения признака нужно знать, что именно и как именно редактировать. Признаки растения определяются генами, чаще всего совокупностью генов, из которых нужно выбирать подходящие мишени для редактирования. Но для выяснения функций и регуляции конкретных генов, вносящих вклад в интересующие нас признаки, необходимо проводить сложные и зачастую длительные исследования. Если сравнивать с животными и людьми, то можно сказать, что многие молекулярные механизмы признаков растений (например, устойчивость, урожайность и т.д.) мы знаем не очень хорошо. При этом геномы растений больше и сложней, что совсем не упрощает задачу. Однако многое уже известно благодаря фундаментальным исследованиям в области биологии растений, и чем дальше мы с этим разбираемся, тем наши возможности для модификации увеличиваются.

К тому же речь идет именно о методе, позволяющем корректировать определенные признаки, но не выводить на рынок новые сорта, работа над которыми, несмотря на некоторое ускорение, все равно занимает годы.

– Редактированием генов занимаются биотехнологи? Как они определяют актуальное направление работы (цель для редактирования)?

В.Т.: Биотехнолог должен работать в тандеме с успешным селекционером по выбранной культуре и в идеале привлекать других специалистов-производителей. Селекционер вместе с аграриями ставят задачу, селекционер помогает выбрать подходящие генотипы. Мы в свою очередь советуемся с биохимиками, генетиками, думаем, что мы можем по этому признаку предложить (не всегда нужные признаки бывают достаточно изучены с биологической точки зрения). Мы смотрим, что реально можем сделать, выполняем свой этап работы, полученную линию возвращаем селекционеру, и селекционер уже доводит результат до сорта.

–  Геномное редактирование – это дорогостоящая технология?

В.Т.: Стоимость получения растения зависит от культуры и от того, будет ли полученное растение отредактированным или трансгенным.

Если говорить об оснащении, то для компании, которая уже занимается получением безвирусного материала, микроклонированием, приобретение оборудования и реактивов для геномного редактирования, обойдется в сравнительно небольшую сумму. Препятствием к началу такой работы может стать не непосильный объем вложений, а нехватка квалифицированных кадров. Людей, которые могут взять и выполнить такую специализированную задачу, очень мало.

И возвращаясь к затратам: технический прогресс в этой области идет очень быстро. Методы геномного редактирования, скажем, в 2012 году, когда открыли CRISPR/Cas9 (технологию редактирования геномов высших организмов, базирующуюся на иммунной системе бактерий), и то, что есть сейчас, очень отличаются. Эффективность работы год от года повышается, а себестоимость снижается.

М.Л.: Это можно сравнить с проектом секвенирования генома человека. Первый человеческий геном секвенировали международным консорциумом 10 лет за 2.7 млрд долларов просто потому, что в 90-х годах были такие технологии. Сейчас отсеквенировать полный человеческий геном стоит дешевле 1000 долларов и займет пару дней.

 – Перейдем к разговору о вашей лаборатории, она ориентирована на фундаментальную науку или прикладные исследования?

В.Т.: Мы стараемся заниматься и тем, и другим. Первоначально приоритет отдавали фундаментальным вещам, но сейчас стараемся приложить наработки к практике.

В данный момент, например, мы изучаем механизмы устойчивости картофеля к вирусу Y. Это большая фундаментальная работа, но при успехе результат будет очень интересен для селекции устойчивых сортов.

М.Л.: Фундаментальная и прикладная наука тесно взаимосвязаны, одно без другого не может существовать. Если мы не узнаем, как вирус взаимодействует с растением, с какими конкретно белками, мы не сможем их изменить, чтобы растение стало устойчивым.

Исследование по вирусу Y мы ведем с 2018 года и сейчас приближаемся к тому, чтобы в ближайшие пару лет получить формулу устойчивости, а в перспективе и необходимый практический результат: в растении картофеля не будут синтезироваться вирусные белки, оно будет устойчиво к попаданию вируса.

– Вы сотрудничаете с российскими селекционными компаниями/селекционерами?

В.Т.: По картофелю мы работаем с молодым селекционером Марией Поляковой, активно общаемся с экспертами Картофельного Союза, поддерживаем контакты с ФИЦ картофеля им. А.Г. Лорха. Что касается капусты, мы взаимодействуем с селекционерами и семеноводами РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева Григорием и Сократом Монахосами. И в том, чем мы занимаемся по этому направлению, полностью ориентируемся на них.

– И снова о вирусах. Марина Валерьевна, в ваш круг научных интересов входит не только вирус Y. В 2023 году вы получили грант Российского научного фонда на проведение исследования по проекту «Изучение виромов культурного картофеля (Solanum tuberosum L.) методами высокопроизводительного секвенирования». Чем эта тема интересна?

М.Л.: Картофель в большей степени, чем многие другие растения, страдает от вирусных заболеваний, так как его размножают вегетативно. Вирусы накапливаются в клубнях и передаются следующим поколениям, таким образом вирусная нагрузка все время растет.  Когда говорят, что картофель вырождается, речь идет как раз об этом.

Вирусы не являются инертными системами, они активно взаимодействуют и с растением-хозяином, и друг с другом. Известны случаи, когда растение, уже болеющее одним определенным вирусом, не может заразиться другим. А есть вирусы, которые не могут заразить растение в одиночку, они действуют только в кооперации с другими вирусами. Буквально недавно была опубликована работа, описывающая формы вирусов, помогающих пережить растениям засуху. Такой неожиданный переход от паразитизма к мутуализму.

Эффективных химических препаратов для борьбы с вирусными болезнями на картофеле нет. Для его оздоровления разработаны достаточно сложные, и главное, дорогостоящие методы: проведение через культуру in vitro, получение микроклубней. Но результата хватает всего на несколько поколений. Чтобы найти другие решения, нужно подробнее изучить особенности вирусов, поэтому исследование очень и очень актуально.

– В ГОСТ 33996-2016 «Картофель семенной. Технические условия и методы определения качества» перечислены пять вирусов (ХВК – X вирус картофеля; SBK – S вирус картофеля; МВК – М вирус картофеля; YBK – Y вирус картофеля; ВСЛК – вирус скручивания листьев картофеля) и один вироид (ВВКК – вироид веретеновидности клубней картофеля). Вы сосредоточитесь на них?

М.Л.: Мой проект направлен на применение высокопроизводительных методов для изучения тех виромов (совокупностей вирусов), которые присутствуют на картофеле в России. Это интересно как с точки зрения того, какие комплексы разных вирусов встречаются на одном растении, так и с точки зрения распространенности этих вирусов.

Всего в мире известно более 50 вирусов, найденных на картофеле. Те, что перечислены в ГОСТ, относятся к наиболее опасным, а кроме того, они имеют яркие внешние признаки. Так, частыми проявлениями заражения вирусом Y являются мозаичные некрозы, а присутствие вируса скручивания листьев можно определить по характерной деформации листовых пластин.

Но есть много вирусов, которые фенотипически никак не проявляются, хотя тоже могут оказывать воздействие на культуру.  Их редко обнаруживают, но только потому, что не ищут.

В качестве примера могу привести работу коллег из Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений (ВИЗР). В 2019 году они опубликовали статью об обнаружении в России вируса картофеля P. Ранее считалось, что он распространен исключительно в Южной Америке.

Вопрос в том, что мы обнаружим, если будем искать не «под фонарем», где светло, а там, где еще не искали.

– А где вы будете проводить исследования?

М.Л.: Согласно условиям гранта, проект займет два года. В прошлом году мы сотрудничали с картофелеводческим хозяйством Тульской области, собирали материал, работали с разными сортами и репродукциями. В этом году поедем в другие регионы, будем смотреть, какие вирусы там встречаются.

Итоги исследования будут подведены в 2025 году, и мы обязательно о них расскажем российским картофелеводам.

Источник