“De methode van genoombewerking mag niet tegenover traditionele selectiemethoden staan. “Dit is een vrij nieuw instrument”, benadrukt het hoofd van het laboratorium voor stressbestendigheid van planten All-Russisch Onderzoeksinstituut voor Landbouwbiotechnologie (VNIISB) Vasily Taranov. – Er waren eens chirurgen die operaties uitvoerden met een mes, en toen verschenen ze scalpels en daarna lasers. Er kwamen compleet andere opties beschikbaar voor een operatie. Genetische manipulatie biedt dus een hulpmiddel waarmee je iets kunt meenemen en verbeteren, maar het annuleert of vervangt niet alles wat eerder werd gebruikt.”
Het All-Russische Onderzoeksinstituut voor Landbouwbiotechnologie (VNIISB) exploiteert een laboratorium voor stressresistentie bij planten, waarvan het werk in twee hoofdrichtingen wordt uitgevoerd: de zoektocht naar genen die de weerstand van planten tegen abiotische en biotische stress bepalen, en het bewerken van het genoom van cultuurplanten om hun stressbestendigheid te vergroten. Het onderzoeksgebied van de wetenschappers omvat aardappelen en vollegrondsgroenten.
We praten met het hoofd van het laboratorium Vasily Taranov en senior onderzoeker Marina Lebedeva over wat de kenmerken en voordelen van de nieuwste technologieën zijn, welke resultaten ze kunnen bereiken en welke problemen van Russische landbouwproducenten ze door laboratoriumwetenschappers worden gebruikt om op te lossen.
– Tegenwoordig wordt er veel gesproken over de noodzaak om het selectieproces te versnellen. Er wordt aangenomen dat de methode van genoombewerking dit mogelijk maakt. Dit is waar?
V.T.: Het zou juister zijn om te zeggen dat biotechnologische methoden niet zozeer de selectie helpen versnellen, maar eerder de capaciteiten van wetenschappers vergroten. Het proces van het werken aan een variëteit blijft nog steeds behoorlijk lang, omdat we het hebben over planten die een bepaalde levenscyclus hebben.
Maar het wordt voor specialisten mogelijk om resultaten te verkrijgen die met traditionele kweekmethoden uiterst moeilijk (zo niet onmogelijk) te bereiken zijn.
Met behulp van genomic editing kunnen we doelbewust een mutatie introduceren die direct invloed heeft op een specifiek kenmerk van een ras, terwijl de rest van het complex van economisch waardevolle eigenschappen onveranderd blijft.
M.L.: Stel je voor dat we via traditionele veredelingsmethoden een resistentiegen uit een wilde aardappel in ons cultuurras willen introduceren. Om dit te doen, voert de fokker een reeks kruisingen uit van de ‘wilde’ met bepaalde culturele lijnen. Het probleem is dat naast het resistentiegen ook alle andere “wilde” genen worden overgedragen op het ras, wat meestal uiterst ongewenst is. Met genetische manipulatie kunt u slechts één gewenst gen nemen/wijzigen.
– Er is een standpunt dat ondanks het feit dat de methode van genoombewerking al ongeveer tien jaar bekend is, deze nog geen merkbare commerciële resultaten heeft opgeleverd.
V.T.: Dit is niet helemaal waar. De grootste veredelingsbedrijven ter wereld maken gebruik van genoombewerking en verbergen dit niet. Maar we weten niet wat ze precies doen en welke resultaten ze behalen.
Prestaties worden niet geadverteerd omdat het duurder is om een plant op de markt te brengen die is verwerkt met behulp van genetische manipulatiemethoden dan een plant die op traditionele wijze is verkregen. En soms is dit gewoonweg onmogelijk om te doen.
Tegelijkertijd is het zeer moeilijk te bewijzen dat er gebruik is gemaakt van genoombewerking om met bestaande methoden een bepaalde variëteit te creëren.
Tijdens de test gaan specialisten op zoek naar een markersequentie in het genoom van het organisme; als deze aanwezig is, wordt de plant herkend als genetisch gemodificeerd. Maar bij genomische bewerking wordt er niets in het genoom ingebracht en kan er dus niets gevonden worden.
Veranderingen beïnvloeden vaak niet slechts één gen, maar een specifieke plaats in het gen, letterlijk één nucleotide, één letter. En de resterende miljarden brieven blijven zoals ze waren. Om vast te stellen dat een plant is bewerkt, moet je feitelijk het hele genoom ervan lezen, met een dekking die tien keer hoger is dan de standaard om fouten te elimineren. Niemand zal zo'n omvangrijke en zeer dure analyse uitvoeren, en de kweker kan altijd zeggen dat hij de plant heeft verkregen door middel van mutagenese of traditionele selectie.
– M.L.: Genome editing in het algemeen, en vooral de ervaring met het gebruik van deze technologieën op planten, is een vrij recent verhaal.
Niet in de laatste plaats omdat je, als je een functie wilt wijzigen, moet weten wat precies en hoe je deze moet bewerken. Planteigenschappen worden bepaald door genen, meestal een set genen, waaruit geschikte doelen voor bewerking moeten worden geselecteerd. Maar het ophelderen van de functies en regulatie van specifieke genen die bijdragen aan interessante eigenschappen vereist complexe en vaak langdurige studies. Vergeleken met dieren en mensen kunnen we zeggen dat we veel van de moleculaire mechanismen van planteigenschappen (bijvoorbeeld resistentie, productiviteit, enz.) niet zo goed kennen. Tegelijkertijd zijn de genomen van planten groter en complexer, wat de taak helemaal niet vereenvoudigt. Er is echter al veel bekend door fundamenteel onderzoek in de plantenbiologie, en hoe meer we dit begrijpen, hoe meer onze mogelijkheden voor modificatie toenemen.
Bovendien hebben we het over een methode die het mogelijk maakt om bepaalde kenmerken te corrigeren, maar niet om nieuwe rassen op de markt te introduceren, waaraan, ondanks enige versnelling, nog steeds jaren duren.
– Doen biotechnologen aan genbewerking? Hoe bepalen zij de daadwerkelijke richting van het werk (het doel van de montage)?
V.T.: De biotechnoloog moet samenwerken met een succesvolle veredelaar van het gekozen gewas en idealiter andere gespecialiseerde producenten erbij betrekken. De fokker bepaalt samen met de boeren de taak, de fokker helpt bij het selecteren van geschikte genotypen. Wij overleggen op onze beurt met biochemici en genetici, denken na over wat we op basis hiervan kunnen bieden (de noodzakelijke kenmerken worden vanuit biologisch oogpunt niet altijd voldoende bestudeerd). We kijken wat we daadwerkelijk kunnen doen, voeren onze werkfase uit, sturen de resulterende lijn terug naar de veredelaar en de veredelaar brengt het resultaat naar het ras.
- Is genoombewerking een dure technologie?
V.T.: De kosten voor het verkrijgen van een plant zijn afhankelijk van het gewas en of de resulterende plant bewerkt of transgeen is.
Als we het over apparatuur hebben, dan kost de aanschaf van apparatuur en reagentia voor genoombewerking voor een bedrijf dat zich al bezighoudt met het verkrijgen van virusvrij materiaal en microklonen een relatief klein bedrag. Het obstakel om dergelijke werkzaamheden te starten is misschien niet de overweldigende hoeveelheid investeringen, maar het gebrek aan gekwalificeerd personeel. Er zijn maar weinig mensen die zo’n gespecialiseerde taak op zich kunnen nemen en uitvoeren.
En terugkomend op de kosten: de technologische vooruitgang op dit gebied gaat zeer snel. De methoden voor het bewerken van het genoom, bijvoorbeeld in 2012, toen CRISPR/Cas9 werd ontdekt (een technologie voor het bewerken van de genomen van hogere organismen, gebaseerd op het immuunsysteem van bacteriën), en wat we nu hebben, zijn heel verschillend. De operationele efficiëntie neemt jaar na jaar toe en de kosten dalen.
M.L.: Dit kan worden vergeleken met het project voor sequencing van het menselijk genoom. Het eerste menselijke genoom werd gedurende tien jaar door een internationaal consortium gesequenced voor 10 miljard dollar, simpelweg omdat dergelijke technologieën in de jaren negentig beschikbaar waren. Momenteel kost het sequencen van een compleet menselijk genoom minder dan duizend dollar en duurt het een paar dagen.
– Laten we verder gaan met praten over uw laboratorium: is het gericht op fundamentele wetenschap of toegepast onderzoek?
V.T.: Wij proberen beide te doen. Aanvankelijk werd prioriteit gegeven aan fundamentele zaken, maar nu proberen we onze ontwikkelingen toe te passen in de praktijk.
Op dit moment bestuderen we bijvoorbeeld de mechanismen van aardappelresistentie tegen virus Y. Dit is veel fundamenteel werk, maar als het lukt, zal het resultaat zeer interessant zijn voor de selectie van resistente rassen.
M.L.: Fundamentele en toegepaste wetenschap zijn nauw met elkaar verbonden; het een kan niet zonder het ander. Als we niet weten hoe het virus met de plant omgaat, met welke specifieke eiwitten, kunnen we deze ook niet veranderen om de plant resistent te maken.
We doen sinds 2018 onderzoek naar virus Y en naderen nu het feit dat we de komende jaren een formule voor resistentie zullen verkrijgen, en in de toekomst het noodzakelijke praktische resultaat: de aardappelplant zal geen virale eiwitten synthetiseren, resistent zal zijn tegen het virus.
– Werkt u samen met Russische veredelingsbedrijven/veredelaars?
V.T.: Op het gebied van aardappelen werken we samen met een jonge veredelaar Maria Polyakova, communiceren we actief met experts van de Aardappelunie en onderhouden we contacten met het vernoemde Potato Federal Research Center. A.G. Lorja. Wat kool betreft, hebben we contact met veredelaars en zaadtelers van de genoemde Russische Staats Agrarische Universiteit-Moskou Landbouwacademie. K.A. Timiryazev door Grigory en Socrates Monachos. En in wat we op dit gebied doen, laten we ons volledig door hen leiden.
– En nogmaals over virussen. Marina Valerievna, jouw scala aan wetenschappelijke interesses omvat niet alleen het virus Y. In 2023 ontving u een subsidie van de Russian Science Foundation om onderzoek te doen naar het project “Studie van viromes van cultuuraardappelen (Solanum tuberosum L.) met behulp van high-throughput sequencing-methoden.” Waarom is dit onderwerp interessant?
M.L.: Aardappelen lijden in grotere mate dan veel andere planten aan virusziekten, omdat ze vegetatief worden vermeerderd. Virussen hopen zich op in knollen en worden doorgegeven aan volgende generaties, waardoor de virale last voortdurend groeit. Als ze zeggen dat aardappelen degenereren, is dat precies waar we het over hebben.
Virussen zijn geen inerte systemen; ze interageren actief met zowel de waardplant als met elkaar. Er zijn gevallen waarin een plant die al ziek is van het ene specifieke virus, niet met een ander virus kan worden geïnfecteerd. En er zijn virussen die een plant niet alleen kunnen infecteren; ze werken alleen in samenwerking met andere virussen. Onlangs is er een werk gepubliceerd waarin vormen van virussen worden beschreven die planten helpen droogte te overleven. Zo'n onverwachte overgang van parasitisme naar mutualisme.
Er zijn geen effectieve chemicaliën om virusziekten bij aardappelen te bestrijden. Om de gezondheid ervan te verbeteren, zijn er vrij complexe en vooral dure methoden ontwikkeld: door middel van in vitro cultuur, het verkrijgen van microknollen. Maar het resultaat duurt slechts enkele generaties. Om andere oplossingen te vinden, moet je de kenmerken van virussen gedetailleerder bestuderen, dus het onderzoek is heel erg relevant.
– GOST 33996-2016 “Pootaardappelen. Technische voorwaarden en methoden voor het bepalen van de kwaliteit" Er worden vijf virussen vermeld (PVK - X aardappelvirus; SBK - S aardappelvirus; MVK - M aardappelvirus; YBK - Y aardappelvirus; VSLK - leaf curl virus aardappel) en één viroïde (PSTV – aardappelspindelknolviroïde). Ga jij je op hen concentreren?
M.L.: Mijn project heeft tot doel high-throughput methoden te gebruiken om de viromen (verzamelingen van virussen) te bestuderen die aanwezig zijn op aardappelen in Rusland. Dit is interessant zowel vanuit het oogpunt van welke complexen van verschillende virussen op één plant worden aangetroffen, als vanuit het oogpunt van de prevalentie van deze virussen.
In totaal zijn er wereldwijd ruim 50 op aardappelen aangetroffen virussen bekend. Degenen die in GOST worden vermeld, behoren tot de gevaarlijkste en bovendien hebben ze duidelijke uiterlijke tekenen. Mozaïeknecrose is dus een veel voorkomende manifestatie van virus Y-infectie, en de aanwezigheid van leaf curl-virus kan worden bepaald door de karakteristieke vervorming van bladmessen.
Maar er zijn veel virussen die zich niet fenotypisch manifesteren, maar ook een effect kunnen hebben op het gewas. Ze worden zelden ontdekt, maar alleen omdat er niet naar wordt gezocht.
Als voorbeeld kan ik het werk van collega's van het All-Russische Onderzoeksinstituut voor Plantenbescherming (VIZR) aanhalen. In 2019 publiceerden ze een artikel over de ontdekking van aardappelvirus P in Rusland, voorheen werd aangenomen dat het uitsluitend in Zuid-Amerika verspreid werd.
De vraag is wat we zullen ontdekken als we niet “onder de straatlantaarn” kijken waar het licht is, maar waar we nog niet hebben gekeken.
– Waar ga je je onderzoek uitvoeren?
M.L.: Volgens de voorwaarden van de subsidie zal het project twee jaar duren. Vorig jaar hebben we samengewerkt met een aardappelboerderij in de regio Tula, materiaal verzameld, gewerkt met verschillende variëteiten en reproducties. Dit jaar gaan we naar andere regio’s en kijken welke virussen daar worden aangetroffen.
De resultaten van het onderzoek zullen in 2025 worden samengevat en we zullen de Russische aardappeltelers er zeker over vertellen.