"لا ينبغي أن تتعارض طريقة تحرير الجينوم مع طرق الاختيار التقليدية. "هذه بالأحرى أداة جديدة"، يؤكد رئيس مختبر مقاومة الإجهاد النباتي معهد عموم روسيا لأبحاث التكنولوجيا الحيوية الزراعية (VNIISB) فاسيلي تارانوف. – في يوم من الأيام، كان الجراحون يقومون بعمليات بالسكين، ثم ظهروا المباضع ثم الليزر. أصبحت خيارات مختلفة تمامًا متاحة للجراحة. لذا فإن الهندسة الوراثية توفر أداة يمكنك من خلالها تحسين شيء ما، ولكنها لا تلغي أو تحل محل كل ما تم استخدامه سابقًا.
يدير معهد أبحاث عموم روسيا للتكنولوجيا الحيوية الزراعية (VNIISB) مختبرًا لمقاومة الإجهاد النباتي، ويتم عمله في اتجاهين رئيسيين: البحث عن الجينات التي تحدد مقاومة النبات للإجهاد اللاأحيائي والحيوي، وتحرير الجينوم النباتات المزروعة من أجل زيادة مقاومتها للإجهاد. تشمل منطقة أبحاث العلماء البطاطس والخضروات المفتوحة.
نتحدث مع رئيس المختبر فاسيلي تارانوف وكبير الباحثين مارينا ليبيديفا حول ميزات ومزايا أحدث التقنيات، وما هي النتائج التي يمكن تحقيقها وما هي مشاكل المنتجين الزراعيين الروس الذين يستخدمهم علماء المختبرات لحلها.
– اليوم هناك الكثير من الحديث عن ضرورة تسريع عملية الاختيار. ويعتقد أن طريقة تحرير الجينوم تسمح بذلك. هذا صحيح؟
V.T.: سيكون من الأصح أن نقول إن أساليب التكنولوجيا الحيوية لا تساعد في تسريع عملية الاختيار بقدر ما تساعد في توسيع قدرات العلماء. لا تزال عملية العمل على مجموعة متنوعة طويلة جدًا، لأننا نتحدث عن نباتات لها دورة حياة معينة.
ولكن يصبح من الممكن للمتخصصين الحصول على نتائج يصعب للغاية (إن لم يكن من المستحيل) تحقيقها باستخدام طرق التربية التقليدية.
بمساعدة التحرير الجيني، يمكننا إدخال طفرة تؤثر بشكل مباشر على سمة محددة لمجموعة متنوعة، مع الحفاظ على بقية السمات ذات القيمة الاقتصادية دون تغيير.
ML: تخيل أننا نريد إدخال جينة مقاومة من البطاطس البرية إلى صنفنا المزروع باستخدام طرق التربية التقليدية. للقيام بذلك، يقوم المربي بإجراء سلسلة من الصلبان "الوحشية" مع خطوط ثقافية معينة. المشكلة هي أنه إلى جانب جين المقاومة، يتم نقل جميع الجينات "البرية" الأخرى إلى الصنف، وهو أمر غير مرغوب فيه للغاية في أغلب الأحيان. تسمح لك الهندسة الوراثية بأخذ/تغيير جين واحد فقط مرغوب فيه.
– هناك وجهة نظر مفادها أنه على الرغم من أن طريقة تحرير الجينوم معروفة منذ حوالي 10 سنوات، إلا أنها لم تسفر حتى الآن عن نتائج تجارية ملحوظة.
V.T.: هذا ليس صحيحا تماما. تستخدم شركات التربية الرائدة في العالم تحرير الجينوم ولا تخفيه. لكننا لا نعرف بالضبط ما يفعلونه وما هي النتائج التي يحصلون عليها.
لا يتم الإعلان عن الإنجازات لأن تسويق نبات تمت معالجته باستخدام أساليب الهندسة الوراثية يكون أكثر تكلفة من تسويق نبات تم الحصول عليه تقليديًا. وأحيانا يكون من المستحيل القيام بذلك.
وفي الوقت نفسه، من الصعب جدًا إثبات استخدام تحرير الجينوم لإنشاء صنف معين باستخدام الأساليب الحالية.
أثناء الاختبار، سيبحث المتخصصون عن تسلسل محدد في جينوم الكائن الحي، وإذا كان موجودًا، فسيتم التعرف على النبات على أنه معدل وراثيًا. لكن مع التحرير الجيني، لا يتم إدخال أي شيء في الجينوم، لذلك لا يمكن العثور على أي شيء.
غالبًا ما لا تؤثر التغييرات على جين واحد فقط، بل على مكان محدد في الجين، حرفيًا نيوكليوتيد واحد، حرف واحد. وتبقى مليارات الحروف المتبقية كما كانت. لتحديد ما إذا كان النبات قد تم تعديله، تحتاج فعليًا إلى قراءة الجينوم بأكمله، مع تغطية أعلى بعشر مرات من المعيار للقضاء على الخطأ. لن يقوم أحد بإجراء مثل هذا التحليل الضخم والمكلف للغاية، ويمكن للمربي أن يقول دائمًا إنه حصل على النبات باستخدام الطفرات أو الاختيار التقليدي.
- م.ل: يعد تحرير الجينوم بشكل عام، وخاصة تجربة استخدام هذه التقنيات على النباتات، قصة حديثة إلى حد ما.
لأسباب ليس أقلها تغيير ميزة ما، فأنت بحاجة إلى معرفة ما هي بالضبط وكيفية تحريرها. يتم تحديد سمات النبات بواسطة الجينات، وغالبًا ما تكون مجموعة من الجينات، والتي يجب اختيار الأهداف المناسبة للتحرير منها. لكن توضيح وظائف وتنظيم جينات محددة تساهم في السمات محل الاهتمام يتطلب دراسات معقدة وطويلة في كثير من الأحيان. عند مقارنتها بالحيوانات والبشر، يمكننا القول إننا لا نعرف الكثير من الآليات الجزيئية لصفات النبات (على سبيل المثال، المقاومة والإنتاجية وما إلى ذلك) بشكل جيد. وفي الوقت نفسه، تكون الجينومات النباتية أكبر وأكثر تعقيدًا، مما لا يبسط المهمة على الإطلاق. ومع ذلك، فإن الكثير معروف بالفعل من خلال الأبحاث الأساسية في بيولوجيا النبات، وكلما زاد فهمنا لهذا الأمر، زادت احتمالات التعديل لدينا.
بالإضافة إلى ذلك، نحن نتحدث عن طريقة تجعل من الممكن تصحيح بعض الخصائص، ولكن ليس إدخال أصناف جديدة إلى السوق، والتي لا يزال العمل عليها، على الرغم من بعض التسارع، يستغرق سنوات.
– هل يقوم علماء التكنولوجيا الحيوية بتحرير الجينات؟ كيف يحددون الاتجاه الفعلي للعمل (الغرض من التحرير)؟
V.T.: يجب أن يعمل أخصائي التكنولوجيا الحيوية جنبًا إلى جنب مع مربي ناجح للمحصول المختار، ومن الناحية المثالية، إشراك منتجين متخصصين آخرين. يقوم المربي، مع المزارعين، بتحديد المهمة، ويساعد المربي في اختيار الأنماط الجينية المناسبة. نحن، بدورنا، نتشاور مع علماء الكيمياء الحيوية وعلماء الوراثة، ونعتقد ما يمكننا تقديمه على هذا الأساس (لا تتم دائمًا دراسة الخصائص الضرورية بشكل كافٍ من وجهة نظر بيولوجية). نحن ننظر إلى ما يمكننا فعله بالفعل، وننفذ مرحلة عملنا، ونعيد الخط الناتج إلى المربي، ويقوم المربي بإحضار النتيجة إلى الصنف.
- هل يعد تحرير الجينوم تقنية باهظة الثمن؟
V.T.: وتعتمد تكلفة الحصول على النبات على المحصول وما إذا كان النبات الناتج معدلاً أم معدلاً وراثياً.
إذا تحدثنا عن المعدات، فبالنسبة لشركة تعمل بالفعل في الحصول على مواد خالية من الفيروسات والاستنساخ الدقيق، فإن شراء المعدات والكواشف لتحرير الجينوم سيكلف مبلغًا صغيرًا نسبيًا. وقد لا تكون العقبة أمام البدء في مثل هذا العمل هي الكم الهائل من الاستثمار، بل الافتقار إلى الموظفين المؤهلين. هناك عدد قليل جدًا من الأشخاص الذين يمكنهم تولي مثل هذه المهمة المتخصصة وتنفيذها.
وبالعودة إلى التكاليف: التقدم التكنولوجي في هذا المجال سريع جدًا. إن طرق تحرير الجينوم، على سبيل المثال، في عام 2012، عندما تم اكتشاف كريسبر/كاس9 (تقنية لتحرير جينومات الكائنات الحية العليا، استنادا إلى الجهاز المناعي للبكتيريا)، وما لدينا الآن مختلفة تماما. تزداد كفاءة التشغيل سنة بعد سنة، وتنخفض التكاليف.
ML: ويمكن مقارنة ذلك بمشروع تسلسل الجينوم البشري. تم تسلسل الجينوم البشري الأول من قبل اتحاد دولي لمدة 10 سنوات مقابل 2.7 مليار دولار، وذلك ببساطة لأن هذه التقنيات كانت متاحة في التسعينيات. في الوقت الحالي، تبلغ تكلفة تسلسل الجينوم البشري الكامل أقل من 90 دولار وتستغرق بضعة أيام.
– دعنا ننتقل للحديث عن مختبرك، هل يركز على العلوم الأساسية أم الأبحاث التطبيقية؟
V.T.: نحن نحاول أن نفعل كلا الأمرين. في البداية، أعطيت الأولوية للأشياء الأساسية، لكننا الآن نحاول تطبيق تطوراتنا على أرض الواقع.
في الوقت الحالي، على سبيل المثال، ندرس آليات مقاومة البطاطس للفيروس Y. وهذا كثير من العمل الأساسي، ولكن إذا نجح، فإن النتيجة ستكون مثيرة جدًا لاختيار الأصناف المقاومة.
ML: إن العلوم الأساسية والتطبيقية مترابطة بشكل وثيق، ولا يمكن لأحدهما أن يوجد بدون الآخر. إذا كنا لا نعرف كيف يتفاعل الفيروس مع النبات، ومع أي بروتينات محددة، فلن نتمكن من تغييرها لجعل النبات مقاومًا.
لقد قمنا بإجراء أبحاث على الفيروس Y منذ عام 2018 ونقترب الآن من حقيقة أننا سنحصل في العامين المقبلين على صيغة للمقاومة، وفي المستقبل النتيجة العملية اللازمة: نبات البطاطس لن يصنع البروتينات الفيروسية، بل سوف تكون مقاومة للفيروس.
– هل تتعاونون مع شركات التربية/المربيين الروس؟
V.T.: فيما يتعلق بالبطاطس، نعمل مع المربية الشابة ماريا بولياكوفا، ونتواصل بنشاط مع خبراء من اتحاد البطاطس، ونحافظ على الاتصالات مع مركز أبحاث البطاطس الفيدرالي الذي يحمل اسمه. اي جي. لورجا. أما بالنسبة للملفوف، فإننا نتفاعل مع المربين ومزارعي البذور في الجامعة الزراعية الحكومية الروسية - أكاديمية موسكو الزراعية التي سميت باسمها. ك.أ. تيميريازيف من تأليف غريغوري وسقراط موناشوس. وفي ما نقوم به في هذا المجال، فإننا نسترشد بها تمامًا.
– ومرة أخرى عن الفيروسات. مارينا فاليريفنا، نطاق اهتماماتك العلمية لا يشمل الفيروس فقط Y. في عام 2023، حصلتم على منحة من مؤسسة العلوم الروسية لإجراء بحث في مشروع “دراسة فيروسات البطاطس المزروعة (Solanum tuberosum L.) باستخدام طرق التسلسل عالي الإنتاجية”. لماذا هذا الموضوع مثير للاهتمام؟
ML: تعاني البطاطس إلى حد أكبر من العديد من النباتات الأخرى من أمراض فيروسية لأنها تتكاثر نباتيًا. تتراكم الفيروسات في الدرنات وتنتقل إلى الأجيال القادمة، وبالتالي فإن الحمل الفيروسي يتزايد باستمرار. عندما يقولون أن البطاطس تتدهور، فهذا هو بالضبط ما نتحدث عنه.
الفيروسات ليست أنظمة خاملة، فهي تتفاعل بشكل نشط مع النبات المضيف ومع بعضها البعض. هناك حالات لا يمكن أن يصاب فيها النبات المصاب بالفعل بفيروس معين بفيروس آخر. وهناك فيروسات لا يمكنها أن تصيب النبات بمفردها، فهي تعمل فقط بالتعاون مع فيروسات أخرى. ومؤخرًا، نُشر عمل يصف أشكالًا من الفيروسات التي تساعد النباتات على النجاة من الجفاف. مثل هذا الانتقال غير المتوقع من التطفل إلى التبادلية.
لا توجد مواد كيميائية فعالة لمكافحة الأمراض الفيروسية على البطاطس. لتحسين صحتها، تم تطوير طرق معقدة للغاية، والأهم من ذلك، باهظة الثمن: من خلال الثقافة المختبرية، والحصول على microtubers. لكن النتيجة تدوم فقط لبضعة أجيال. للعثور على حلول أخرى، تحتاج إلى دراسة خصائص الفيروسات بمزيد من التفصيل، وبالتالي فإن الدراسة وثيقة الصلة جدًا بالموضوع.
- GOST 33996-2016 "بذور البطاطس. "الشروط الفنية وطرق تحديد الجودة" تم إدراج خمسة فيروسات (فيروس البطاطس PVK - X، فيروس البطاطس SBK - S، فيروس البطاطس MVK - M، فيروس البطاطس YBK - Y، فيروس تجعد الأوراق VSLK) البطاطس) وواحد من الفيروسات (PSTV - درنات البطاطس المغزلية). هل ستركز عليهم؟
ML: يهدف مشروعي إلى استخدام أساليب عالية الإنتاجية لدراسة الفيروسات (مجموعات الفيروسات) الموجودة على البطاطس في روسيا. وهذا مثير للاهتمام سواء من حيث مجمعات الفيروسات المختلفة الموجودة في نبات واحد أو من وجهة نظر انتشار هذه الفيروسات.
في المجموع، هناك أكثر من 50 فيروسًا معروفًا موجودًا على البطاطس في العالم. تلك المدرجة في GOST هي من بين الأكثر خطورة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن لها علامات خارجية واضحة. وبالتالي، يعد نخر الفسيفساء مظهرًا شائعًا لعدوى الفيروس Y، ويمكن تحديد وجود فيروس تجعد الأوراق من خلال التشوه المميز لشفرات الأوراق.
ولكن هناك العديد من الفيروسات التي لا تظهر نفسها ظاهريًا، على الرغم من أنها يمكن أن يكون لها أيضًا تأثير على المحصول. نادرا ما يتم اكتشافهم، ولكن فقط لأنه لم يتم البحث عنهم.
كمثال، يمكنني الاستشهاد بعمل الزملاء من معهد عموم روسيا لأبحاث وقاية النباتات (VIZR). وفي عام 2019، نشروا مقالاً عن اكتشاف فيروس البطاطس P في روسيا، وكان يُعتقد في السابق أنه يتم توزيعه حصريًا في أمريكا الجنوبية.
والسؤال هو ما الذي سنكتشفه إذا نظرنا ليس "تحت ضوء الشارع" حيث يكون الضوء، ولكن حيث لم ننظر بعد.
– أين ستجري بحثك؟
ML: وبحسب شروط المنحة، سيستغرق المشروع عامين. في العام الماضي، تعاونا مع مزرعة بطاطس في منطقة تولا، وقمنا بجمع المواد، وعملنا مع أصناف ونسخ مختلفة. سنذهب هذا العام إلى مناطق أخرى ونرى ما هي الفيروسات الموجودة هناك.
سيتم تلخيص نتائج الدراسة في عام 2025، وسنخبر مزارعي البطاطس الروس عنها بالتأكيد.