“วิธีการแก้ไขจีโนมไม่ควรขัดแย้งกับวิธีการคัดเลือกแบบดั้งเดิม “นี่เป็นเครื่องมือใหม่” หัวหน้าห้องปฏิบัติการต้านทานความเครียดของพืชเน้นย้ำ สถาบันวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพเกษตรแห่งรัสเซียทั้งหมด (VNIISB) Vasily Taranov กาลครั้งหนึ่ง ศัลยแพทย์ทำการผ่าตัดด้วยมีด แล้วพวกเขาก็ปรากฏตัวขึ้น มีดผ่าตัด แล้วก็เลเซอร์ มีตัวเลือกที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงสำหรับการผ่าตัด ดังนั้นพันธุวิศวกรรมจึงเสนอเครื่องมือที่คุณสามารถนำไปใช้และปรับปรุงบางสิ่งได้ แต่ไม่ได้ยกเลิกหรือแทนที่ทุกสิ่งที่เคยใช้ก่อนหน้านี้”
สถาบันวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพการเกษตร All-Russian (VNIISB) ดำเนินการห้องปฏิบัติการสำหรับการต้านทานความเครียดของพืชซึ่งดำเนินการในสองทิศทางหลัก: การค้นหายีนที่กำหนดความต้านทานของพืชต่อความเครียดที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตและสิ่งมีชีวิตและการแก้ไขจีโนม ของพืชที่ปลูกเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อความเครียด พื้นที่วิจัยของนักวิทยาศาสตร์ประกอบด้วยมันฝรั่งและผักพื้นที่เปิด
เราพูดคุยกับหัวหน้าห้องปฏิบัติการ Vasily Taranov และนักวิจัยอาวุโส Marina Lebedeva เกี่ยวกับคุณสมบัติและข้อดีของเทคโนโลยีล่าสุดคืออะไร ผลลัพธ์ที่พวกเขาสามารถทำได้ และปัญหาใดของผู้ผลิตทางการเกษตรของรัสเซียที่พวกเขาใช้โดยนักวิทยาศาสตร์ในห้องปฏิบัติการเพื่อแก้ไข
– วันนี้มีการพูดคุยกันมากมายถึงความจำเป็นในการเร่งกระบวนการคัดเลือก เชื่อกันว่าวิธีการแก้ไขจีโนมช่วยให้สามารถทำได้ นี่เป็นเรื่องจริงเหรอ?
V.T.: มันจะถูกต้องมากกว่าถ้าจะบอกว่าวิธีการทางเทคโนโลยีชีวภาพไม่ได้ช่วยเร่งการคัดเลือกมากนักเพื่อขยายขีดความสามารถของนักวิทยาศาสตร์ กระบวนการทำงานกับพันธุ์พืชยังคงค่อนข้างยาวเนื่องจากเรากำลังพูดถึงพืชที่มีวงจรชีวิตที่แน่นอน
แต่เป็นไปได้ที่ผู้เชี่ยวชาญจะได้รับผลลัพธ์ที่ยากมาก (ถ้าไม่ใช่เป็นไปไม่ได้) ที่จะบรรลุผลสำเร็จโดยใช้วิธีการผสมพันธุ์แบบดั้งเดิม
ด้วยความช่วยเหลือของการแก้ไขจีโนม เราสามารถแนะนำการกลายพันธุ์ที่ส่งผลโดยตรงต่อคุณลักษณะเฉพาะของพันธุ์พืชอย่างมีจุดมุ่งหมาย ขณะเดียวกันก็รักษาส่วนที่เหลือของลักษณะที่มีคุณค่าทางเศรษฐกิจที่ซับซ้อนไม่เปลี่ยนแปลง
ม.ล.: ลองนึกภาพว่าเราต้องการนำยีนต้านทานจากมันฝรั่งป่ามาใช้กับพันธุ์ที่เราปลูกโดยใช้วิธีการผสมพันธุ์แบบดั้งเดิม ในการทำเช่นนี้ผู้เพาะพันธุ์จะดำเนินการผสมพันธุ์ "ป่าเถื่อน" กับสายวัฒนธรรมบางอย่าง ปัญหาคือยีน "ไวด์" อื่น ๆ ทั้งหมดจะถูกถ่ายโอนไปยังยีนต้านทานพร้อมกับยีนต้านทานซึ่งส่วนใหญ่มักจะไม่เป็นที่พึงปรารถนาอย่างยิ่ง พันธุวิศวกรรมทำให้คุณสามารถถ่าย/เปลี่ยนยีนที่ต้องการได้เพียงยีนเดียวเท่านั้น
– มีมุมมองว่าแม้ว่าวิธีการแก้ไขจีโนมจะทราบกันมานานประมาณ 10 ปีแล้ว แต่ก็ยังไม่ได้ให้ผลลัพธ์เชิงพาณิชย์ที่เห็นได้ชัดเจน
V.T.: สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงทั้งหมด บริษัทเพาะพันธุ์ชั้นนำของโลกใช้การตัดต่อจีโนมและไม่ได้ซ่อนมันไว้ แต่เราไม่รู้ว่าพวกเขาทำอะไรกันแน่และได้ผลลัพธ์อะไร
ความสำเร็จไม่ได้รับการโฆษณาเนื่องจากมีราคาแพงกว่าในการนำพืชที่ได้รับการประมวลผลโดยใช้วิธีการทางพันธุวิศวกรรมออกสู่ตลาดมากกว่าพืชที่ได้รับแบบดั้งเดิม และบางครั้งก็เป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำ
ในเวลาเดียวกัน เป็นการยากมากที่จะพิสูจน์ว่ามีการใช้การแก้ไขจีโนมเพื่อสร้างความหลากหลายโดยเฉพาะโดยใช้วิธีการที่มีอยู่
ในระหว่างการทดสอบ ผู้เชี่ยวชาญจะมองหาลำดับเครื่องหมายในจีโนมของสิ่งมีชีวิต หากมีอยู่ พืชจะได้รับการยอมรับว่าเป็นพืชดัดแปลงพันธุกรรม แต่ด้วยการแก้ไขจีโนม ไม่มีอะไรเข้าไปในจีโนม ดังนั้นจึงไม่พบสิ่งใดเลย
การเปลี่ยนแปลงมักส่งผลกระทบไม่เพียงแต่ยีนเดียวเท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบเฉพาะตำแหน่งในยีนด้วย ซึ่งก็คือนิวคลีโอไทด์หนึ่งตัว และตัวอักษรหนึ่งตัว และจดหมายที่เหลืออีกหลายพันล้านฉบับยังคงอยู่เหมือนเดิม ในการพิจารณาว่าโรงงานได้รับการแก้ไขแล้ว คุณต้องอ่านจีโนมทั้งหมดจริง ๆ โดยมีความครอบคลุมสูงกว่ามาตรฐานถึงสิบเท่าเพื่อกำจัดข้อผิดพลาด ไม่มีใครจะทำการวิเคราะห์ขนาดใหญ่และมีราคาแพงมากเช่นนี้และผู้เพาะพันธุ์สามารถพูดได้เสมอว่าเขาได้รับพืชโดยใช้การกลายพันธุ์หรือการคัดเลือกแบบดั้งเดิม
– ม.ล.: การแก้ไขจีโนมโดยทั่วไป และโดยเฉพาะอย่างยิ่งประสบการณ์ในการใช้เทคโนโลยีเหล่านี้กับพืช ถือเป็นเรื่องราวที่ค่อนข้างใหม่เมื่อไม่นานมานี้
ไม่น้อยเพราะในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติคุณจำเป็นต้องรู้ว่าจะต้องแก้ไขอะไรและอย่างไร ลักษณะของพืชถูกกำหนดโดยยีน ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นชุดของยีน ซึ่งจะต้องเลือกเป้าหมายที่เหมาะสมสำหรับการแก้ไข แต่การอธิบายการทำงานและการควบคุมของยีนจำเพาะที่มีส่วนทำให้เกิดลักษณะที่น่าสนใจนั้นจำเป็นต้องมีการศึกษาที่ซับซ้อนและมักจะใช้เวลานาน เมื่อเปรียบเทียบกับสัตว์และมนุษย์ เราสามารถพูดได้ว่าเรายังไม่ทราบกลไกระดับโมเลกุลของลักษณะพืชหลายอย่าง (เช่น ความต้านทาน ผลผลิต ฯลฯ) ได้เป็นอย่างดี ในเวลาเดียวกัน จีโนมของพืชมีขนาดใหญ่ขึ้นและซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งไม่ได้ทำให้งานง่ายขึ้นเลย อย่างไรก็ตาม การวิจัยพื้นฐานทางชีววิทยาพืชเป็นที่รู้จักไปมากแล้ว และยิ่งเราเข้าใจสิ่งนี้มากเท่าใด ความเป็นไปได้ในการปรับเปลี่ยนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
นอกจากนี้ เรากำลังพูดถึงวิธีการที่ทำให้สามารถแก้ไขลักษณะเฉพาะบางอย่างได้ แต่ไม่ต้องแนะนำพันธุ์ใหม่ออกสู่ตลาด ซึ่งแม้จะต้องเร่งความเร็วบ้าง แต่ก็ยังต้องใช้เวลาหลายปี
– นักเทคโนโลยีชีวภาพทำการตัดต่อยีนหรือไม่? กำหนดทิศทางที่แท้จริงของงาน (วัตถุประสงค์ในการแก้ไข) ได้อย่างไร?
V.T.: นักเทคโนโลยีชีวภาพจะต้องทำงานควบคู่กับผู้เพาะพันธุ์พืชที่เลือกสรรมาอย่างประสบความสำเร็จ และโดยหลักการแล้วจะต้องเกี่ยวข้องกับผู้ผลิตที่เชี่ยวชาญรายอื่นๆ ผู้เพาะพันธุ์ร่วมกับเกษตรกรกำหนดภารกิจ ผู้เพาะพันธุ์ช่วยในการเลือกจีโนไทป์ที่เหมาะสม ในทางกลับกัน เราปรึกษากับนักชีวเคมีและนักพันธุศาสตร์ เราคิดว่าเราสามารถนำเสนออะไรได้บ้างบนพื้นฐานนี้ (ลักษณะที่จำเป็นไม่ได้รับการศึกษาอย่างเพียงพอจากมุมมองทางชีววิทยาเสมอไป) เราพิจารณาสิ่งที่เราสามารถทำได้จริง ดำเนินการตามขั้นตอนการทำงาน คืนสายผลลัพธ์ให้ผู้เพาะพันธุ์ และผู้ปรับปรุงพันธุ์นำผลลัพธ์มาสู่ความหลากหลาย
- การแก้ไขจีโนมเป็นเทคโนโลยีที่มีราคาแพงหรือไม่?
V.T.: ต้นทุนในการได้รับพืชขึ้นอยู่กับพืชผลและว่าพืชที่ได้นั้นได้รับการแก้ไขหรือดัดแปลงพันธุกรรมหรือไม่
หากเราพูดถึงอุปกรณ์ สำหรับบริษัทที่มีส่วนร่วมในการรับวัสดุปลอดไวรัสและไมโครโคลนนิ่งอยู่แล้ว การซื้ออุปกรณ์และรีเอเจนต์สำหรับการแก้ไขจีโนมจะมีราคาค่อนข้างน้อย อุปสรรคในการเริ่มต้นงานดังกล่าวอาจไม่ใช่การลงทุนที่ล้นหลาม แต่ขาดบุคลากรที่มีคุณสมบัติเหมาะสม มีเพียงไม่กี่คนที่สามารถรับหน้าที่พิเศษเช่นนี้ได้
และกลับมาที่ต้นทุน: ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในด้านนี้รวดเร็วมาก วิธีแก้ไขจีโนม เช่น ในปี 2012 เมื่อมีการค้นพบ CRISPR/Cas9 (เทคโนโลยีสำหรับการแก้ไขจีโนมของสิ่งมีชีวิตชั้นสูง ขึ้นอยู่กับระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย) และสิ่งที่เรามีตอนนี้แตกต่างออกไปมาก ประสิทธิภาพการดำเนินงานเพิ่มขึ้นทุกปีและต้นทุนลดลง
ม.ล.: ซึ่งสามารถนำมาเปรียบเทียบกับโครงการจัดลำดับจีโนมมนุษย์ได้ จีโนมมนุษย์ชุดแรกได้รับการจัดลำดับโดยกลุ่มความร่วมมือระหว่างประเทศเป็นเวลา 10 ปี ด้วยมูลค่า 2.7 พันล้านดอลลาร์ เพียงเพราะว่าเทคโนโลยีดังกล่าวมีให้ใช้งานในยุค 90 ปัจจุบัน การหาลำดับจีโนมมนุษย์ที่สมบูรณ์มีค่าใช้จ่ายไม่ถึง 1000 ดอลลาร์สหรัฐฯ และใช้เวลาสองถึงสามวัน
– มาพูดถึงห้องปฏิบัติการของคุณกันดีกว่า เน้นวิทยาศาสตร์พื้นฐานหรือการวิจัยประยุกต์ดี?
V.T.: เราพยายามที่จะทำทั้งสองอย่าง ในตอนแรก ให้ความสำคัญกับสิ่งพื้นฐาน แต่ตอนนี้เรากำลังพยายามนำการพัฒนาของเราไปปฏิบัติ
ตัวอย่างเช่นในขณะนี้ เรากำลังศึกษากลไกของการต้านทานมันฝรั่งต่อไวรัส Y นี่เป็นงานพื้นฐานมากมาย แต่ถ้าประสบความสำเร็จ ผลลัพธ์จะน่าสนใจมากสำหรับการเลือกพันธุ์ต้านทาน
ม.ล.: วิทยาศาสตร์พื้นฐานและวิทยาศาสตร์ประยุกต์มีความเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิด สิ่งใดสิ่งหนึ่งคงอยู่ไม่ได้หากไม่มีสิ่งอื่น หากเราไม่รู้ว่าไวรัสมีปฏิกิริยาอย่างไรกับพืช และกับโปรตีนชนิดใด เราจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงพวกมันเพื่อให้พืชต้านทานได้
เราทำการวิจัยเกี่ยวกับไวรัส Y มาตั้งแต่ปี 2018 และตอนนี้กำลังเข้าใกล้ความจริงที่ว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเราจะได้รับสูตรการต้านทานและในอนาคตผลลัพธ์เชิงปฏิบัติที่จำเป็น: ต้นมันฝรั่งจะไม่สังเคราะห์โปรตีนของไวรัส จะต้านทานไวรัสได้
– คุณร่วมมือกับบริษัทเพาะพันธุ์/ผู้เพาะพันธุ์ชาวรัสเซียหรือไม่?
V.T.: เกี่ยวกับมันฝรั่ง เราทำงานร่วมกับ Maria Polyakova ผู้เพาะพันธุ์รุ่นเยาว์ สื่อสารอย่างแข็งขันกับผู้เชี่ยวชาญจาก Potato Union และรักษาการติดต่อกับ Potato Federal Research Center ที่ตั้งชื่อตาม เอ.จี. ลอร์จา. สำหรับกะหล่ำปลีเรามีปฏิสัมพันธ์กับผู้เพาะพันธุ์และผู้ปลูกเมล็ดพันธุ์ของ Russian State Agrarian University-Moscow Agricultural Academy ซึ่งตั้งชื่อตาม เค.เอ. Timiryazev โดย Grigory และ Socrates Monachos และสิ่งที่เราทำในพื้นที่นี้ เราได้รับคำแนะนำจากพวกเขาอย่างสมบูรณ์
– และอีกครั้งเกี่ยวกับไวรัส Marina Valerievna ความสนใจทางวิทยาศาสตร์ของคุณไม่เพียงแต่รวมถึงไวรัสเท่านั้น Y. ในปี 2023 คุณได้รับทุนจาก Russian Science Foundation เพื่อทำการวิจัยในโครงการ “การศึกษาไวโรมของมันฝรั่งที่ปลูก (Solanum tuberosum L.) โดยใช้วิธีการจัดลำดับที่มีปริมาณงานสูง” ทำไมหัวข้อนี้ถึงน่าสนใจ?
ม.ล.: มันฝรั่งมีระดับมากกว่าพืชชนิดอื่นที่ต้องทนทุกข์ทรมานจากโรคไวรัสเนื่องจากมีการขยายพันธุ์ทางพืช ไวรัสสะสมอยู่ในหัวและส่งต่อไปยังรุ่นต่อๆ ไป ดังนั้นปริมาณไวรัสจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เมื่อพวกเขาบอกว่ามันฝรั่งกำลังเสื่อมลง นั่นคือสิ่งที่เรากำลังพูดถึงนั่นเอง
ไวรัสไม่ใช่ระบบเฉื่อย แต่มีปฏิสัมพันธ์กับทั้งพืชอาศัยและกันและกัน มีหลายกรณีที่พืชที่ป่วยด้วยไวรัสตัวหนึ่งอยู่แล้วไม่สามารถติดไวรัสตัวอื่นได้ และมีไวรัสที่ไม่สามารถแพร่เชื้อไปยังพืชได้เพียงลำพังโดยทำหน้าที่ร่วมกับไวรัสอื่นเท่านั้น เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการตีพิมพ์ผลงานที่อธิบายรูปแบบของไวรัสที่ช่วยให้พืชรอดจากภัยแล้ง การเปลี่ยนแปลงที่ไม่คาดคิดจากลัทธิปรสิตไปสู่ลัทธิร่วมกัน
ไม่มีสารเคมีที่มีประสิทธิภาพในการต่อสู้กับโรคไวรัสในมันฝรั่ง เพื่อปรับปรุงสุขภาพได้มีการพัฒนาวิธีการที่ค่อนข้างซับซ้อนและที่สำคัญที่สุดคือมีราคาแพง: ผ่านการเพาะเลี้ยงในหลอดทดลองเพื่อให้ได้ไมโครทูเบอร์ แต่ผลลัพธ์จะคงอยู่เพียงไม่กี่ชั่วอายุคนเท่านั้น หากต้องการค้นหาวิธีแก้ปัญหาอื่น ๆ คุณต้องศึกษาลักษณะของไวรัสอย่างละเอียดมากขึ้น ดังนั้นการศึกษานี้จึงมีความเกี่ยวข้องมาก
– GOST 33996-2016 “ เมล็ดมันฝรั่ง เงื่อนไขทางเทคนิคและวิธีการในการกำหนดคุณภาพ" มีการระบุไวรัสห้าชนิด (ไวรัสมันฝรั่ง PVK - X; ไวรัสมันฝรั่ง SBK - S; MVK - ไวรัสมันฝรั่ง M; YBK - ไวรัสมันฝรั่ง Y; VSLK - ไวรัสลอนใบ มันฝรั่ง) และไวรอยด์หนึ่งตัว (PSTV – ไวรอยด์หัวมันฝรั่งแกนหมุน) คุณจะให้ความสำคัญกับพวกเขาไหม?
ม.ล.: โครงการของฉันมีเป้าหมายที่จะใช้วิธีการที่มีปริมาณงานสูงเพื่อศึกษาไวโรม (กลุ่มของไวรัส) ที่มีอยู่ในมันฝรั่งในรัสเซีย สิ่งนี้น่าสนใจทั้งจากมุมมองของคอมเพล็กซ์ของไวรัสชนิดต่าง ๆ ที่พบในพืชชนิดเดียวและจากมุมมองของความชุกของไวรัสเหล่านี้
โดยรวมแล้วมีไวรัสมากกว่า 50 ชนิดที่พบในมันฝรั่งเป็นที่รู้จักในโลก รายการที่อยู่ใน GOST อยู่ในกลุ่มที่อันตรายที่สุดและยังมีสัญญาณภายนอกที่ชัดเจนอีกด้วย ดังนั้นการตายของเซลล์โมเสคจึงเป็นอาการที่พบบ่อยของการติดเชื้อไวรัส Y และการมีอยู่ของไวรัสใบม้วนงอสามารถกำหนดได้โดยการเปลี่ยนรูปลักษณะของใบมีด
แต่มีไวรัสจำนวนมากที่ไม่แสดงลักษณะทางฟีโนไทป์ แม้ว่าพวกมันอาจส่งผลต่อพืชผลก็ตาม พวกมันไม่ค่อยถูกค้นพบ แต่เพียงเพราะพวกเขาไม่ได้ถูกมองหา
ตัวอย่างเช่น ฉันสามารถอ้างอิงผลงานของเพื่อนร่วมงานจากสถาบันวิจัยอารักขาพืช All-Russian (VIZR) ในปี 2019 พวกเขาตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับการค้นพบไวรัสมันฝรั่ง P ในรัสเซีย ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าเผยแพร่เฉพาะในอเมริกาใต้เท่านั้น
คำถามคือเราจะค้นพบอะไรหากเราไม่ได้มอง “ใต้แสงไฟถนน” ที่ที่ยังมีแสงสว่าง แต่ที่ที่ยังไม่ได้มอง
– คุณจะทำการวิจัยที่ไหน?
ม.ล.: ตามเงื่อนไขของการให้ทุน โครงการนี้จะใช้เวลาสองปี ปีที่แล้วเราร่วมมือกับฟาร์มมันฝรั่งในภูมิภาค Tula โดยรวบรวมวัสดุ ทำงานกับพันธุ์มันฝรั่งและการสืบพันธุ์ที่แตกต่างกัน ปีนี้เราจะไปภูมิภาคอื่นดูว่ามีไวรัสอะไรบ้าง
ผลการศึกษาจะถูกสรุปในปี 2025 และเราจะแจ้งให้ผู้ปลูกมันฝรั่งชาวรัสเซียทราบเกี่ยวกับพวกเขาอย่างแน่นอน