„Die Methode der Genombearbeitung sollte kein Gegensatz zu herkömmlichen Selektionsmethoden sein. „Das ist eher ein neues Werkzeug“, betont der Leiter des Labors für pflanzliche Stressresistenz Allrussisches Forschungsinstitut für Agrarbiotechnologie (VNIISB) Wassili Taranow. – Es waren einmal Chirurgen, die mit einem Messer operierten, dann tauchten sie auf Skalpelle, dann Laser. Der Chirurgie standen völlig andere Möglichkeiten zur Verfügung. Die Gentechnik bietet also ein Werkzeug, mit dem man etwas nehmen und verbessern kann, aber sie löscht oder ersetzt nicht alles, was bisher verwendet wurde.“
Das Allrussische Forschungsinstitut für Agrarbiotechnologie (VNIISB) betreibt ein Labor für Pflanzenstressresistenz, dessen Arbeit in zwei Hauptrichtungen erfolgt: der Suche nach Genen, die die Pflanzenresistenz gegenüber abiotischem und biotischem Stress bestimmen, und der Bearbeitung des Genoms von Kulturpflanzen, um deren Stressresistenz zu erhöhen. Das Forschungsgebiet der Wissenschaftler umfasst Kartoffeln und Freilandgemüse.
Wir sprechen mit dem Leiter des Labors Wassili Taranow und der leitenden Forscherin Marina Lebedeva darüber, was die Merkmale und Vorteile der neuesten Technologien sind, welche Ergebnisse sie erzielen können und welche Probleme russischer Agrarproduzenten sie von Laborwissenschaftlern lösen.
– Heutzutage wird viel über die Notwendigkeit gesprochen, den Auswahlprozess zu beschleunigen. Man geht davon aus, dass die Methode der Genombearbeitung dies ermöglicht. So ist das?
V.T.: Richtiger wäre es zu sagen, dass biotechnologische Methoden weniger dazu beitragen, die Selektion zu beschleunigen, als vielmehr die Fähigkeiten der Wissenschaftler zu erweitern. Der Prozess der Bearbeitung einer Sorte ist immer noch recht langwierig, da es sich um Pflanzen handelt, die einen bestimmten Lebenszyklus haben.
Aber es wird für Spezialisten möglich, Ergebnisse zu erzielen, die mit herkömmlichen Züchtungsmethoden äußerst schwierig (wenn nicht unmöglich) zu erreichen wären.
Mit Hilfe der genomischen Bearbeitung können wir gezielt eine Mutation einführen, die sich direkt auf ein bestimmtes Merkmal einer Sorte auswirkt, während der Rest des Komplexes wirtschaftlich wertvoller Merkmale unverändert bleibt.
M.L.: Stellen Sie sich vor, wir möchten mit traditionellen Züchtungsmethoden ein Resistenzgen aus einer Wildkartoffel in unsere Kultursorte einbringen. Zu diesem Zweck führt der Züchter eine Reihe von Kreuzungen des „Wilden“ mit bestimmten Kulturlinien durch. Das Problem besteht darin, dass neben dem Resistenzgen auch alle anderen „wilden“ Gene auf die Sorte übertragen werden, was meist äußerst unerwünscht ist. Die Gentechnik ermöglicht es Ihnen, nur ein gewünschtes Gen zu übernehmen/zu verändern.
– Man geht davon aus, dass die Methode der Genombearbeitung zwar seit etwa zehn Jahren bekannt ist, aber noch keine nennenswerten kommerziellen Ergebnisse erzielt hat.
V.T.: Das ist nicht ganz richtig. Die weltweit führenden Züchtungsunternehmen nutzen Genome Editing und verstecken es nicht. Aber wir wissen nicht genau, was sie tun und welche Ergebnisse sie erzielen.
Erfolge werden nicht beworben, da es teurer ist, eine gentechnisch verarbeitete Pflanze auf den Markt zu bringen als eine traditionell gewonnene. Und manchmal ist das einfach unmöglich.
Gleichzeitig ist es sehr schwierig zu beweisen, dass Genomeditierung zur Schaffung einer bestimmten Sorte mit bestehenden Methoden eingesetzt wurde.
Bei dem Test suchen Spezialisten nach einer Markersequenz im Genom des Organismus; ist diese vorhanden, wird die Pflanze als gentechnisch verändert erkannt. Bei der genomischen Bearbeitung wird jedoch nichts in das Genom eingeschleust, sodass nichts gefunden werden kann.
Veränderungen betreffen oft nicht nur ein Gen, sondern eine bestimmte Stelle im Gen, buchstäblich ein Nukleotid, einen Buchstaben. Und die restlichen Milliarden Briefe bleiben, wie sie waren. Um festzustellen, dass eine Pflanze verändert wurde, müssen Sie tatsächlich ihr gesamtes Genom lesen, wobei die Abdeckung zehnmal höher ist als der Standard, um Fehler auszuschließen. Niemand wird eine so umfangreiche und sehr teure Analyse durchführen, und der Züchter kann immer sagen, dass er die Pflanze durch Mutagenese oder traditionelle Selektion gewonnen hat.
– M.L.: Die Bearbeitung des Genoms im Allgemeinen und die Erfahrungen mit der Anwendung dieser Technologien an Pflanzen im Besonderen sind eine relativ junge Geschichte.
Nicht zuletzt, weil man zum Ändern einer Funktion wissen muss, was genau und wie man sie bearbeitet. Pflanzenmerkmale werden durch Gene bestimmt, meist durch eine Reihe von Genen, aus denen geeignete Ziele für die Bearbeitung ausgewählt werden müssen. Die Aufklärung der Funktionen und Regulierung spezifischer Gene, die zu den interessierenden Merkmalen beitragen, erfordert jedoch komplexe und oft langwierige Studien. Im Vergleich zu Tieren und Menschen können wir sagen, dass wir viele molekulare Mechanismen pflanzlicher Merkmale (z. B. Resistenz, Produktivität usw.) nicht sehr gut kennen. Gleichzeitig sind Pflanzengenome größer und komplexer, was die Aufgabe keineswegs vereinfacht. Durch die Grundlagenforschung in der Pflanzenbiologie ist jedoch bereits viel bekannt, und je mehr wir darüber verstehen, desto größer werden unsere Möglichkeiten zur Veränderung.
Darüber hinaus handelt es sich um eine Methode, die es ermöglicht, bestimmte Merkmale zu korrigieren, nicht aber neue Sorten auf den Markt zu bringen, woran trotz einiger Beschleunigung noch Jahre gearbeitet wird.
– Führen Biotechnologen Genbearbeitung durch? Wie bestimmen sie die tatsächliche Richtung der Arbeit (den Zweck der Bearbeitung)?
V.T.: Der Biotechnologe muss mit einem erfolgreichen Züchter der ausgewählten Kulturpflanze zusammenarbeiten und im Idealfall andere spezialisierte Produzenten einbeziehen. Der Züchter stellt gemeinsam mit den Landwirten die Aufgabe, der Züchter hilft bei der Auswahl geeigneter Genotypen. Wir wiederum konsultieren Biochemiker und Genetiker und überlegen, was wir auf dieser Grundlage anbieten können (die notwendigen Eigenschaften sind aus biologischer Sicht nicht immer ausreichend untersucht). Wir prüfen, was wir tatsächlich tun können, führen unsere Arbeitsphase aus, geben die resultierende Linie an den Züchter zurück, und der Züchter bringt das Ergebnis in die Sorte.
- Ist Genombearbeitung eine teure Technologie?
V.T.: Die Kosten für den Erwerb einer Pflanze hängen von der Kulturpflanze ab und davon, ob die resultierende Pflanze editiert oder transgen ist.
Wenn wir über Ausrüstung sprechen, dann wird der Kauf von Ausrüstung und Reagenzien für die Genombearbeitung für ein Unternehmen, das sich bereits mit der Beschaffung von virenfreiem Material und Mikroklonierung beschäftigt, relativ wenig kosten. Das Hindernis für den Beginn einer solchen Arbeit ist möglicherweise nicht die überwältigende Investitionssumme, sondern der Mangel an qualifiziertem Personal. Es gibt nur sehr wenige Menschen, die eine so spezielle Aufgabe übernehmen und ausführen können.
Und um auf die Kosten zurückzukommen: Der technologische Fortschritt in diesem Bereich ist sehr schnell. Die Methoden der Genombearbeitung, beispielsweise im Jahr 2012, als CRISPR/Cas9 entdeckt wurde (eine Technologie zur Bearbeitung der Genome höherer Organismen, basierend auf dem Immunsystem von Bakterien), und die, die wir heute haben, sind sehr unterschiedlich. Die betriebliche Effizienz steigt von Jahr zu Jahr und die Kosten sinken.
M.L.: Dies kann mit dem Projekt zur Sequenzierung des menschlichen Genoms verglichen werden. Das erste menschliche Genom wurde von einem internationalen Konsortium zehn Jahre lang für 10 Milliarden Dollar sequenziert, einfach weil solche Technologien in den 2.7er Jahren verfügbar waren. Derzeit kostet die Sequenzierung eines vollständigen menschlichen Genoms weniger als 90 US-Dollar und dauert ein paar Tage.
– Lassen Sie uns nun über Ihr Labor sprechen. Ist es auf Grundlagenforschung oder angewandte Forschung ausgerichtet?
V.T.: Wir versuchen, beides zu tun. Standen zunächst grundlegende Dinge im Vordergrund, versuchen wir nun, unsere Entwicklungen in die Praxis umzusetzen.
Im Moment untersuchen wir zum Beispiel die Mechanismen der Kartoffelresistenz gegen Virus Y. Das ist eine Menge grundlegender Arbeit, aber im Erfolgsfall wird das Ergebnis für die Selektion resistenter Sorten sehr interessant sein.
M.L.: Grundlagen- und angewandte Wissenschaft sind eng miteinander verbunden; das eine kann ohne das andere nicht existieren. Wenn wir nicht wissen, wie das Virus mit der Pflanze interagiert, mit welchen spezifischen Proteinen, können wir sie nicht so verändern, dass die Pflanze resistent wird.
Wir forschen seit 2018 am Virus Y und nähern uns nun der Tatsache, dass wir in den nächsten Jahren eine Resistenzformel und in Zukunft das notwendige praktische Ergebnis erhalten werden: Die Kartoffelpflanze wird keine viralen Proteine synthetisieren, sondern wird gegen das Virus resistent sein.
– Arbeiten Sie mit russischen Zuchtunternehmen/Züchtern zusammen?
V.T.: Im Bereich Kartoffeln arbeiten wir mit der jungen Züchterin Maria Polyakova zusammen, kommunizieren aktiv mit Experten der Kartoffelunion und pflegen Kontakte zum gleichnamigen Kartoffel-Bundesforschungszentrum. A.G. Lorja. Was Kohl betrifft, interagieren wir mit Züchtern und Saatgutanbauern der nach ihr benannten Russischen Staatlichen Agraruniversität – Moskauer Landwirtschaftsakademie. K.A. Timiryazev von Grigory und Sokrates Monachos. Und bei dem, was wir in diesem Bereich tun, lassen wir uns vollständig von ihnen leiten.
– Und noch einmal über Viren. Marina Valerievna, Ihr wissenschaftliches Interessengebiet umfasst nicht nur das Virus Y. Im Jahr 2023 erhielten Sie ein Stipendium der Russischen Wissenschaftsstiftung für die Durchführung von Forschungsarbeiten zum Projekt „Untersuchung der Virome von Kulturkartoffeln (Solanum tuberosum L.) mithilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden“. Warum ist dieses Thema interessant?
M.L.: Kartoffeln leiden stärker als viele andere Pflanzen an Viruserkrankungen, da sie vegetativ vermehrt werden. Viren reichern sich in Knollen an und werden an die nächste Generation weitergegeben, sodass die Viruslast ständig zunimmt. Wenn man sagt, dass Kartoffeln verderben, meinen wir genau das.
Viren sind keine inerten Systeme; sie interagieren aktiv sowohl mit der Wirtspflanze als auch untereinander. Es gibt Fälle, in denen eine Pflanze, die bereits an einem bestimmten Virus erkrankt ist, nicht mit einem anderen Virus infiziert werden kann. Und es gibt Viren, die eine Pflanze nicht alleine infizieren können; sie wirken nur im Zusammenwirken mit anderen Viren. Erst kürzlich wurde eine Arbeit veröffentlicht, die Formen von Viren beschreibt, die Pflanzen helfen, Dürreperioden zu überleben. Solch ein unerwarteter Übergang vom Parasitismus zum Mutualismus.
Es gibt keine wirksamen Chemikalien zur Bekämpfung von Viruserkrankungen bei Kartoffeln. Um seine Gesundheit zu verbessern, wurden recht komplexe und vor allem teure Methoden entwickelt: durch In-vitro-Kultur die Gewinnung von Mikroknollen. Doch das Ergebnis hält nur wenige Generationen an. Um andere Lösungen zu finden, muss man die Eigenschaften von Viren genauer untersuchen, daher ist die Studie sehr, sehr relevant.
– GOST 33996-2016 „Pflanzkartoffeln. „Technische Bedingungen und Methoden zur Qualitätsbestimmung“ werden fünf Viren aufgeführt (PVK – X-Kartoffelvirus; SBK – S-Kartoffelvirus; MVK – M-Kartoffelvirus; YBK – Y-Kartoffelvirus; VSLK – Leaf-Curl-Virus). Kartoffel) und ein Viroid (PSTV – Potato Spindle Tuber Viroid). Konzentrieren Sie sich auf sie?
M.L.: Mein Projekt zielt darauf ab, mithilfe von Hochdurchsatzmethoden jene Virome (Virensammlungen) zu untersuchen, die auf Kartoffeln in Russland vorhanden sind. Dies ist sowohl im Hinblick darauf, welche Komplexe verschiedener Viren auf einer Pflanze vorkommen, als auch im Hinblick auf die Prävalenz dieser Viren interessant.
Insgesamt sind weltweit mehr als 50 auf Kartoffeln vorkommende Viren bekannt. Die in GOST aufgeführten gehören zu den gefährlichsten und weisen darüber hinaus deutliche äußere Anzeichen auf. Somit ist Mosaiknekrose eine häufige Manifestation einer Virus-Y-Infektion, und das Vorhandensein des Blattkräuselvirus kann durch die charakteristische Verformung der Blattspreiten festgestellt werden.
Es gibt jedoch viele Viren, die sich nicht phänotypisch manifestieren, obwohl sie auch Auswirkungen auf die Ernte haben können. Sie werden selten entdeckt, sondern nur, weil nicht danach gesucht wird.
Als Beispiel kann ich die Arbeit von Kollegen des Allrussischen Forschungsinstituts für Pflanzenschutz (VIZR) nennen. 2019 veröffentlichten sie einen Artikel über die Entdeckung des Kartoffelvirus P in Russland. Bisher ging man davon aus, dass es ausschließlich in Südamerika verbreitet sei.
Die Frage ist, was wir entdecken werden, wenn wir nicht „unter die Straßenlaterne“ schauen, wo es hell ist, sondern dorthin, wo wir noch nicht geschaut haben.
– Wo werden Sie Ihre Forschung durchführen?
M.L.: Den Förderbedingungen zufolge soll das Projekt zwei Jahre dauern. Letztes Jahr haben wir mit einer Kartoffelfarm in der Region Tula zusammengearbeitet, Material gesammelt und mit verschiedenen Sorten und Reproduktionen gearbeitet. Dieses Jahr werden wir in andere Regionen gehen und sehen, welche Viren dort vorkommen.
Die Ergebnisse der Studie werden im Jahr 2025 zusammengefasst und wir werden den russischen Kartoffelbauern auf jeden Fall davon erzählen.