“基因组编辑方法不应该与传统的选择方法相对立。 “这是一个相当新的工具,”植物抗逆实验室负责人强调道 全俄农业生物技术研究所(VNIISB)瓦西里·塔拉诺夫。 – 曾几何时,外科医生用刀进行手术,然后他们出现了 手术刀,然后是激光。手术有了完全不同的选择。因此,基因工程提供了一种工具,你可以利用它来改进某些东西,但它不会取消或取代以前使用的所有东西。”
全俄农业生物技术研究所(VNIISB)运营着一个植物抗逆实验室,其工作主要有两个方向:寻找决定植物对非生物和生物胁迫抗性的基因,以及编辑基因组栽培植物,以提高其抗逆性。科学家们的研究领域包括土豆和露地蔬菜。
我们与实验室负责人瓦西里·塔拉诺夫(Vasily Taranov)和高级研究员玛丽娜·列别杰娃(Marina Lebedeva)讨论了最新技术的特点和优势,它们可以取得什么成果,以及实验室科学家用它们来解决俄罗斯农业生产者的哪些问题。
– 今天有很多关于加快选择过程的必要性的讨论。据信基因组编辑方法可以做到这一点。这是真实的?
VT: 更正确的说法是,生物技术方法与其说有助于加速选择,不如说有助于扩展科学家的能力。开发品种的过程仍然相当漫长,因为我们谈论的是具有一定生命周期的植物。
但专家们有可能获得使用传统育种方法极其困难(如果不是不可能)实现的结果。
借助基因组编辑,我们可以有目的地引入直接影响品种特定特征的突变,同时保持具有经济价值的复合性状的其余部分不变。
ML: 想象一下,我们想要使用传统育种方法将野生马铃薯的抗性基因引入我们的栽培品种中。为此,饲养员对“野蛮人”与某些文化线进行了一系列杂交。问题在于,除了抗性基因之外,所有其他“野生”基因都被转移到该品种中,这通常是极其不可取的。基因工程允许您仅获取/改变一个所需的基因。
– 有观点认为,尽管基因组编辑方法已为人所知约10年,但尚未产生明显的商业成果。
VT: 这并不完全正确。世界领先的育种公司使用基因组编辑并且不隐藏它。但我们不知道他们到底做了什么以及他们得到了什么结果。
成果没有被宣传,因为将使用基因工程方法加工的植物推向市场比传统方法获得的植物更昂贵。有时这是根本不可能做到的。
同时,利用现有方法很难证明基因组编辑被用于创造特定品种。
在测试过程中,专家将在生物体基因组中寻找标记序列;如果存在,该植物将被识别为转基因植物。但通过基因组编辑,基因组中不会引入任何内容,因此什么也找不到。
变化通常不仅影响一个基因,还会影响基因中的一个特定位置,实际上是一个核苷酸、一个字母。剩下的数十亿封信仍保持原样。要确定植物是否已被编辑,您需要实际读取其整个基因组,覆盖范围比标准高十倍,以消除错误。没有人会做如此大量且非常昂贵的分析,育种者总是可以说他是通过诱变或传统选择获得植物的。
– M.L.: 一般来说,基因组编辑,尤其是在植物上使用这些技术的经验,是一个相当新的故事。
尤其是因为要更改某个功能,您需要知道具体内容以及如何编辑它。植物性状由基因决定,通常是一组基因,必须从中选择合适的编辑目标。但是,阐明有助于感兴趣性状的特定基因的功能和调控需要复杂且通常漫长的研究。与动物和人类相比,我们可以说,我们对植物性状的许多分子机制(例如,抗性、生产力等)还不太了解。与此同时,植物基因组更大、更复杂,这根本没有简化任务。然而,通过植物生物学的基础研究已经知道了很多,我们了解得越多,我们进行修饰的可能性就越大。
此外,我们正在讨论一种方法,可以纠正某些特征,但不能向市场推出新品种,尽管速度有所加快,但仍需要数年时间。
– 生物技术学家进行基因编辑吗?他们如何确定实际的工作方向(编辑的目的)?
VT: 生物技术专家必须与所选作物的成功育种者合作,最好还包括其他专业生产者。育种者与农民一起设定任务,育种者帮助选择合适的基因型。反过来,我们咨询生物化学家和遗传学家,我们认为在此基础上我们可以提供什么(从生物学角度来看,必要的特征并不总是得到充分研究)。我们着眼于我们实际可以做什么,执行我们的工作阶段,将得到的品系返回给育种者,然后育种者将结果带给品种。
– 基因组编辑是一项昂贵的技术吗?
VT: 获得植物的成本取决于作物以及所得植物是否经过编辑或转基因。
如果我们谈论设备,那么对于一家已经从事脱病毒材料获取和微克隆的公司来说,购买用于基因组编辑的设备和试剂将花费相对较少的费用。开展这项工作的障碍可能不是巨大的投资,而是缺乏合格的人员。很少有人能够承担并执行如此专业的任务。
回到成本:这个领域的技术进步非常快。比如说,2012 年 CRISPR/Cas9(一种基于细菌免疫系统编辑高等生物基因组的技术)被发现时的基因组编辑方法与我们现在所拥有的方法有很大不同。运营效率逐年提高,成本逐年下降。
ML: 这可以与人类基因组测序项目进行比较。第一个人类基因组测序是由一个国际财团花费 10 年时间、耗资 2.7 亿美元完成的,因为此类技术在 90 年代就已出现。目前,对完整人类基因组进行测序的成本不到 1000 美元,并且需要几天时间。
– 让我们继续谈谈您的实验室,它专注于基础科学还是应用研究?
VT: 我们尝试两者兼得。最初,我们优先考虑基础性的事情,但现在我们正在尝试将我们的发展应用于实践。
例如,目前我们正在研究马铃薯对Y病毒的抗性机制。这是一项大量的基础工作,但如果成功,结果对于抗性品种的选择将是非常有趣的。
ML: 基础科学和应用科学紧密相连;缺一不可。如果我们不知道病毒如何与植物相互作用,以及与哪些特定蛋白质相互作用,我们将无法改变它们以使植物产生抗性。
我们自 2018 年以来一直在对 Y 病毒进行研究,现在正在接近这样一个事实:在未来几年内,我们将获得抗性公式,并在未来获得必要的实际结果:马铃薯植物不会合成病毒蛋白,它不会合成病毒蛋白。就会对病毒产生抵抗力。
– 你们与俄罗斯育种公司/育种者合作吗?
VT: 在马铃薯方面,我们与年轻育种家玛丽亚·波利亚科娃(Maria Polyakova)合作,积极与马铃薯联盟的专家交流,并与以马铃薯命名的联邦马铃薯研究中心保持联系。 A.G.洛尔哈。至于卷心菜,我们与以俄罗斯国立农业大学莫斯科农业学院命名的育种者和种子种植者进行互动。 K A。格里戈里和苏格拉底·莫纳乔斯的《蒂米里亚泽夫》。我们在这一领域所做的工作完全受到他们的指导。
– 再次关于病毒。 Marina Valerievna,您的科学兴趣范围不仅包括病毒 Y。 2023年,您获得了俄罗斯科学基金会的资助,用于开展“利用高通量测序方法研究栽培马铃薯(Solanum tuberosum L.)病毒组”项目的研究。为什么这个话题很有趣?
ML: 马铃薯比许多其他植物更容易遭受病毒性疾病,因为它们是无性繁殖的。病毒在块茎中积聚并传递给下一代,因此病毒载量不断增加。当他们说土豆正在变质时,这正是我们所说的。
病毒不是惰性系统;它们积极地与宿主植物和彼此相互作用。在某些情况下,已经感染一种特定病毒的植物无法感染另一种病毒。有些病毒不能单独感染植物;它们只能与其他病毒合作发挥作用。就在最近,发表了一篇文章,描述了帮助植物抵御干旱的病毒形式。从寄生到共生的转变是出人意料的。
没有有效的化学物质来对抗马铃薯病毒性疾病。为了改善其健康,已经开发出相当复杂且最重要的是昂贵的方法:通过体外培养,获得微块茎。但结果只能持续几代人。要想找到其他的解决方案,就需要更详细地研究病毒的特征,所以这项研究是非常非常相关的。
– GOST 33996-2016 “马铃薯种子。质量判定技术条件和方法”列出了五种病毒(PVK-X马铃薯病毒;SBK-S马铃薯病毒;MVK-M马铃薯病毒;YBK-Y马铃薯病毒;VSLK-卷叶病毒) 马铃薯)和一种类病毒(PSTV – 马铃薯纺锤块茎类病毒)。你会专注于他们吗?
ML: 我的项目旨在使用高通量方法来研究俄罗斯马铃薯上存在的病毒组(病毒集合)。从在一种植物上发现的不同病毒复合物的角度以及从这些病毒的流行程度的角度来看,这都很有趣。
全世界已知在土豆上发现的病毒总共有 50 多种。 GOST中列出的属于最危险的,此外,它们还有明显的外部标志。因此,花叶坏死是Y病毒感染的常见表现,而卷叶病毒的存在可以通过叶片的特征性变形来确定。
但有许多病毒并没有表现出自己的表型,尽管它们也可以对作物产生影响。它们很少被发现,只是因为没有人去寻找它们。
作为一个例子,我可以引用全俄罗斯植物保护研究所(VIZR)同事的工作。 2019年,他们发表了一篇关于在俄罗斯发现马铃薯病毒P的文章,此前认为它只分布在南美洲。
问题是,如果我们不看“路灯下”有光的地方,而是看我们还没有看过的地方,我们会发现什么。
– 您将在哪里进行研究?
ML: 根据赠款条款,该项目将耗时两年。去年,我们与图拉地区的一个马铃薯农场合作,收集材料,研究不同的品种和繁殖。今年我们会去其他地区,看看那里发现了什么病毒。
研究结果将于2025年总结,我们一定会告诉俄罗斯马铃薯种植者。