"השיטה של עריכת הגנום לא צריכה להיות מנוגדת לשיטות בחירה מסורתיות. "זהו כלי חדש למדי", מדגיש ראש המעבדה לעמידות במתח צמחים מכון המחקר הכל רוסי לביוטכנולוגיה חקלאית (VNIISB) וסילי טרנוב. – פעם מנתחים ביצעו ניתוחים עם סכין, ואז הם הופיעו אזמלים ואז לייזרים. אפשרויות שונות לחלוטין הפכו זמינות לניתוח. אז הנדסה גנטית מציעה כלי שבעזרתו אפשר לקחת ולשפר משהו, אבל היא לא מבטלת או מחליפה את כל מה שהיה בשימוש בעבר".
מכון המחקר הכל-רוסי לביוטכנולוגיה חקלאית (VNIISB) מפעיל מעבדה לעמידות ללחץ צמחי, שעבודתה מתבצעת בשני כיוונים עיקריים: חיפוש גנים הקובעים עמידות צמחים ללחץ אביוטי וביוטי, ועריכת הגנום של צמחים תרבותיים על מנת להגביר את עמידותם ללחץ. תחום המחקר של המדענים כולל תפוחי אדמה וירקות פתוחים.
אנו מדברים עם ראש המעבדה וסילי טרנוב והחוקרת הבכירה מרינה לבדבה על התכונות והיתרונות של הטכנולוגיות העדכניות ביותר, אילו תוצאות הן יכולות להשיג ואילו בעיות של יצרנים חקלאיים רוסים הם משמשים את מדעני המעבדה כדי לפתור.
– היום מדברים רבות על הצורך לזרז את תהליך הבחירה. מאמינים ששיטת עריכת הגנום מאפשרת לעשות זאת. זה נכון?
V.T.: נכון יותר לומר ששיטות ביוטכנולוגיות עוזרות לא כל כך להאיץ את הבחירה אלא להרחיב את היכולות של מדענים. תהליך העבודה על מגוון עדיין נשאר די ארוך, מכיוון שאנו מדברים על צמחים בעלי מחזור חיים מסוים.
אבל זה הופך להיות אפשרי עבור מומחים להשיג תוצאות שקשה מאוד (אם לא בלתי אפשרי) להשיג באמצעות שיטות גידול מסורתיות.
בעזרת עריכה גנומית, אנו יכולים להציג בכוונה מוטציה שמשפיעה ישירות על מאפיין ספציפי של מגוון, תוך שמירה על שאר מכלול התכונות בעל הערך הכלכלי ללא שינוי.
מ.ל.: תארו לעצמכם שאנחנו רוצים להכניס גן עמידות מתפוח אדמה בר לזן התרבותי שלנו בשיטות גידול מסורתיות. לשם כך, המגדל מבצע סדרה של הצלבות של "הפרא" עם קווים תרבותיים מסוימים. הבעיה היא שיחד עם גן העמידות, כל שאר הגנים ה"פראיים" מועברים לזן, דבר שלרוב אינו רצוי ביותר. הנדסה גנטית מאפשרת לך לקחת/לשנות רק גן רצוי אחד.
– ישנה נקודת מבט שלמרות ששיטת עריכת הגנום ידועה מזה כ-10 שנים, היא עדיין לא הניבה תוצאות מסחריות ניכרות.
V.T.: זה לא לגמרי נכון. חברות הגידול המובילות בעולם משתמשות בעריכת גנום ואינן מסתירות זאת. אבל אנחנו לא יודעים מה בדיוק הם עושים ואיזה תוצאות הם מקבלים.
הישגים אינם מפרסמים כי יקר יותר להביא לשוק צמח שעבר עיבוד בשיטות הנדסה גנטית מאשר צמח שהושג באופן מסורתי. ולפעמים זה פשוט בלתי אפשרי לעשות.
יחד עם זאת, קשה מאוד להוכיח כי נעשה שימוש בעריכת גנום ליצירת מגוון מסוים בשיטות קיימות.
במהלך הבדיקה, מומחים יחפשו רצף סמנים בגנום של האורגניזם; אם הוא קיים, הצמח יוכר כמונדס גנטית. אבל עם עריכה גנומית, שום דבר לא מוכנס לגנום, כך שלא ניתן למצוא דבר.
שינויים לרוב משפיעים לא רק על גן אחד, אלא על מקום ספציפי בגן, ממש נוקלאוטיד אחד, אות אחת. ומיליארדי המכתבים הנותרים נשארים כשהיו. כדי לקבוע שצמח עבר עריכה, עליך לקרוא למעשה את כל הגנום שלו, עם כיסוי גבוה פי עשרה מהתקן כדי למנוע שגיאות. אף אחד לא יעשה ניתוח כה נרחב ויקר מאוד, והמגדל תמיד יכול לומר שהוא השיג את הצמח באמצעות מוטגנזה או סלקציה מסורתית.
– מ.ל.: עריכת הגנום בכלל, ובעיקר הניסיון בשימוש בטכנולוגיות אלו על צמחים, היא סיפור די עדכני.
לא מעט משום שכדי לשנות תכונה אתה צריך לדעת מה בדיוק ואיך לערוך אותו. תכונות הצמח נקבעות על ידי גנים, לרוב קבוצה של גנים, שמהם יש לבחור מטרות מתאימות לעריכה. אבל הבהרת התפקודים והוויסות של גנים ספציפיים התורמים לתכונות עניין דורשים מחקרים מורכבים ולעיתים ממושכים. בהשוואה לבעלי חיים ובני אדם, אנו יכולים לומר שאיננו מכירים היטב רבים מהמנגנונים המולקולריים של תכונות הצמח (למשל עמידות, פרודוקטיביות וכו'). יחד עם זאת, הגנום של הצמח גדול ומורכב יותר, מה שלא מפשט את המשימה כלל. עם זאת, הרבה כבר ידוע באמצעות מחקר בסיסי בביולוגיה של צמחים, וככל שאנו מבינים זאת, כך האפשרויות שלנו לשינוי מתגברות.
בנוסף, אנחנו מדברים על שיטה שמאפשרת לתקן מאפיינים מסוימים, אבל לא להכניס לשוק זנים חדשים, שעליהם, למרות האצה מסוימת, עדיין לוקח שנים.
- האם ביוטכנולוגים עושים עריכת גנים? כיצד הם קובעים את כיוון העבודה בפועל (מטרת העריכה)?
V.T.: על הביוטכנולוג לעבוד יחד עם מגדל מצליח של היבול הנבחר, ובאופן אידיאלי לערב יצרנים מומחים אחרים. המגדל, יחד עם החקלאים, קובע את המשימה, המגדל עוזר לבחור גנוטיפים מתאימים. אנחנו, בתורם, מתייעצים עם ביוכימאים וגנטיקאים, אנחנו חושבים מה אנחנו יכולים להציע על בסיס זה (המאפיינים הדרושים לא תמיד נחקרים מספיק מנקודת מבט ביולוגית). אנחנו מסתכלים מה אנחנו באמת יכולים לעשות, מבצעים את שלב העבודה שלנו, מחזירים את הקו המתקבל למגדל, והמגדל מביא את התוצאה לזן.
- האם עריכת גנום היא טכנולוגיה יקרה?
V.T.: עלות השגת צמח תלויה ביבול והאם הצמח המתקבל ערוך או מהונדס.
אם מדברים על ציוד, אז עבור חברה שכבר עוסקת בהשגת חומר נטול וירוסים ומיקרו-שיבוט, רכישת ציוד וריאגנטים לעריכת גנום תעלה סכום קטן יחסית. המכשול להתחלת עבודה כזו אולי אינו כמות ההשקעה העצומה, אלא המחסור בכוח אדם מוסמך. יש מעט מאוד אנשים שיכולים לקחת על עצמם ולבצע משימה כל כך מיוחדת.
ובחזרה לעלויות: ההתקדמות הטכנולוגית בתחום זה מהירה מאוד. שיטות עריכת הגנום, נניח, בשנת 2012, כאשר התגלה CRISPR/Cas9 (טכנולוגיה לעריכת גנום של אורגניזמים גבוהים יותר, המבוססת על מערכת החיסון של חיידקים), ומה שיש לנו כעת שונה מאוד. היעילות התפעולית עולה משנה לשנה, והעלויות יורדות.
מ.ל.: ניתן להשוות זאת לפרויקט רצף הגנום האנושי. הגנום האנושי הראשון רושם על ידי קונסורציום בינלאומי במשך 10 שנים תמורת 2.7 מיליארד דולר פשוט בגלל שטכנולוגיות כאלה היו זמינות בשנות ה-90. נכון לעכשיו, ריצוף של גנום אנושי שלם עולה פחות מ-1000 דולר ולוקח כמה ימים.
- בוא נעבור לדבר על המעבדה שלך, האם היא מתמקדת במדע יסוד או במחקר יישומי?
V.T.: אנחנו מנסים לעשות את שניהם. בתחילה ניתנה עדיפות לדברים בסיסיים, אך כעת אנו מנסים ליישם את ההתפתחויות שלנו לתרגול.
כרגע, למשל, אנו חוקרים את מנגנוני העמידות של תפוחי אדמה לנגיף Y. זוהי עבודה בסיסית רבה, אך אם תצליח, התוצאה תהיה מאוד מעניינת לבחירת זנים עמידים.
מ.ל.: המדע היסודי והמדע היישומי קשורים זה בזה באופן הדוק; אחד לא יכול להתקיים בלי השני. אם לא נדע כיצד הנגיף מתקשר עם הצמח, עם אילו חלבונים ספציפיים, לא נוכל לשנות אותם כדי להפוך את הצמח לעמיד.
אנו עורכים מחקר על וירוס Y מאז 2018 וכעת מתקרבים לכך שבשנתיים הקרובות נקבל נוסחה לעמידות, ובעתיד את התוצאה המעשית הנדרשת: צמח תפוחי האדמה לא יסנתז חלבונים ויראליים, הוא יהיה עמיד לנגיף.
– האם אתה משתף פעולה עם חברות/מגדלים רוסיות?
V.T.: על תפוחי אדמה, אנו עובדים עם מגדלת צעירה מריה פוליאקובה, מתקשרים באופן פעיל עם מומחים מאיגוד תפוחי האדמה, ומקיימים קשרים עם מרכז המחקר הפדרלי של תפוחי אדמה על שמו. א.ג. לוריה. באשר לכרוב, אנו מקיימים אינטראקציה עם מגדלים ומגדלי זרעים של האוניברסיטה החקלאית הממלכתית הרוסית-מוסקווה האקדמיה החקלאית על שם. ק.א. Timiryazev מאת גריגורי וסוקרטס מונאכוס. ובמה שאנחנו עושים בתחום הזה, אנחנו לגמרי מונחים על ידם.
– ושוב על וירוסים. מרינה ולרייבנה, מגוון תחומי העניין המדעיים שלך כולל לא רק את הנגיף Y. בשנת 2023, קיבלת מענק מקרן המדע הרוסית לביצוע מחקר על הפרויקט "מחקר של וירום של תפוחי אדמה תרבותיים (Solanum tuberosum L.) באמצעות שיטות רצף תפוקה גבוהה." למה הנושא הזה מעניין?
מ.ל.: תפוחי אדמה, במידה רבה יותר מצמחים רבים אחרים, סובלים ממחלות ויראליות, שכן הם מופצים באופן וגטטיבי. וירוסים מצטברים בפקעות ומועברים לדורות הבאים, כך שהעומס הנגיפי גדל כל הזמן. כשאומרים שתפוחי אדמה מתנוונים, זה בדיוק מה שאנחנו מדברים עליו.
וירוסים אינם מערכות אינרטיות; הם מקיימים אינטראקציה פעילה הן עם הצמח המארח והן זה עם זה. ישנם מקרים בהם צמח שכבר חולה בנגיף ספציפי אחד לא יכול להידבק באחר. ויש וירוסים שלא יכולים להדביק צמח לבד; הם פועלים רק בשיתוף פעולה עם וירוסים אחרים. רק לאחרונה התפרסמה עבודה המתארת צורות של וירוסים המסייעים לצמחים לשרוד בצורת. מעבר כה בלתי צפוי מטפילות להדדיות.
אין כימיקלים יעילים למלחמה במחלות ויראליות על תפוחי אדמה. כדי לשפר את בריאותו, פותחו שיטות מורכבות למדי, והכי חשוב, יקרות: באמצעות תרבית חוץ גופית, השגת מיקרו-פקעות. אבל התוצאה נמשכת רק כמה דורות. כדי למצוא פתרונות אחרים, צריך ללמוד את המאפיינים של וירוסים ביתר פירוט, כך שהמחקר מאוד מאוד רלוונטי.
- GOST 33996-2016 "זרעי תפוחי אדמה. תנאים טכניים ושיטות לקביעת איכות" רשומים חמישה וירוסים (PVK - נגיף תפוחי אדמה X; SBK - וירוס תפוחי אדמה; MVK - נגיף תפוחי אדמה M; וירוס תפוחי אדמה YBK - וירוס תפוחי אדמה; VSLK - וירוס תלתל עלים תפוח אדמה) וווירואיד אחד (PSTV – potato spindle tuber viroid). האם תתמקד בהם?
מ.ל.: הפרויקט שלי נועד להשתמש בשיטות תפוקה גבוהות כדי לחקור את אותם וירוסים (אוספי וירוסים) שנמצאים על תפוחי אדמה ברוסיה. זה מעניין הן מנקודת המבט של אילו קומפלקסים של וירוסים שונים נמצאים על צמח אחד, והן מנקודת המבט של שכיחות הנגיפים הללו.
בסך הכל ידועים בעולם יותר מ-50 וירוסים שנמצאו על תפוחי אדמה. אלה המפורטים ב-GOST הם מהמסוכנים ביותר, ובנוסף, יש להם סימנים חיצוניים ברורים. לפיכך, נמק פסיפס הוא ביטוי שכיח של זיהום בנגיף Y, וניתן לקבוע את נוכחותו של וירוס תלתלי עלים על ידי העיוות האופייני של להבי העלים.
אבל ישנם וירוסים רבים שאינם באים לידי ביטוי באופן פנוטיפי, למרות שהם יכולים להשפיע גם על היבול. לעתים רחוקות מגלים אותם, אלא רק בגלל שלא מחפשים אותם.
כדוגמה, אני יכול לצטט את עבודתם של עמיתים ממכון המחקר הכל-רוסי להגנת הצומח (VIZR). בשנת 2019 הם פרסמו מאמר על גילוי נגיף תפוחי האדמה P ברוסיה. בעבר האמינו שהוא מופץ אך ורק בדרום אמריקה.
השאלה היא מה נגלה אם נסתכל לא "מתחת לפנס הרחוב" היכן שהוא אור, אלא לאן עדיין לא הסתכלנו.
- היכן תערוך את המחקר שלך?
מ.ל.: על פי תנאי המענק, הפרויקט יימשך שנתיים. בשנה שעברה שיתפנו פעולה עם חוות תפוחי אדמה באזור טולה, אספנו חומר, עבדנו עם זנים ורפרודוקציות שונות. השנה נלך לאזורים אחרים ונראה אילו וירוסים נמצאים שם.
תוצאות המחקר יסוכמו ב-2025, ובהחלט נספר עליהן למגדלי תפוחי האדמה הרוסים.