“Il metodo di modifica del genoma non dovrebbe essere opposto ai metodi di selezione tradizionali. "Si tratta di uno strumento piuttosto nuovo", sottolinea il capo del laboratorio di resistenza allo stress delle piante Istituto panrusso di ricerca sulla biotecnologia agricola (VNIISB) Vasily Taranov. – Una volta i chirurghi eseguivano le operazioni con un coltello, poi sono comparsi bisturi, poi laser. Opzioni completamente diverse sono diventate disponibili per la chirurgia. Quindi l’ingegneria genetica offre uno strumento con cui si può prendere e migliorare qualcosa, ma non cancella né sostituisce tutto quello che si usava prima”.
L'Istituto panrusso di ricerca di biotecnologia agricola (VNIISB) gestisce un laboratorio per la resistenza delle piante allo stress, il cui lavoro si svolge in due direzioni principali: la ricerca di geni che determinano la resistenza delle piante allo stress abiotico e biotico e la modifica del genoma delle piante coltivate per aumentarne la resistenza agli stress. L'area di ricerca degli scienziati comprende patate e verdure di pieno campo.
Parliamo con il capo del laboratorio Vasily Taranov e la ricercatrice senior Marina Lebedeva di quali sono le caratteristiche e i vantaggi delle ultime tecnologie, quali risultati possono ottenere e quali problemi dei produttori agricoli russi vengono utilizzati per risolvere dagli scienziati di laboratorio.
– Oggi si parla molto della necessità di accelerare il processo di selezione. Si ritiene che il metodo di modifica del genoma consenta di farlo. Questo è vero?
VT: Sarebbe più corretto dire che i metodi biotecnologici aiutano non tanto ad accelerare la selezione quanto ad espandere le capacità degli scienziati. Il processo di lavorazione di una varietà rimane ancora piuttosto lungo, poiché si tratta di piante che hanno un certo ciclo di vita.
Ma diventa possibile per gli specialisti ottenere risultati che sarebbero estremamente difficili (se non impossibili) da ottenere con i metodi di allevamento tradizionali.
Con l'aiuto dell'editing genomico, possiamo introdurre intenzionalmente una mutazione che influisca direttamente su una caratteristica specifica di una varietà, mantenendo invariato il resto del complesso di tratti economicamente preziosi.
M.L.: Immaginiamo di voler introdurre un gene di resistenza proveniente da una patata selvatica nella nostra varietà coltivata utilizzando metodi di selezione tradizionali. Per fare ciò, l'allevatore effettua una serie di incroci del “selvaggio” con determinate linee culturali. Il problema è che insieme al gene della resistenza, tutti gli altri geni “selvaggi” vengono trasferiti alla varietà, il che il più delle volte è estremamente indesiderabile. L'ingegneria genetica consente di prendere/modificare un solo gene desiderato.
– C’è un punto di vista secondo cui, nonostante il metodo di editing genomico sia noto da circa 10 anni, non ha ancora prodotto risultati commerciali degni di nota.
VT: Questo non è del tutto vero. Le principali aziende di selezione del mondo utilizzano l'editing del genoma e non lo nascondono. Ma non sappiamo cosa facciano esattamente e quali risultati ottengano.
I risultati non vengono pubblicizzati perché è più costoso portare sul mercato una pianta elaborata utilizzando metodi di ingegneria genetica rispetto a una ottenuta tradizionalmente. E a volte questo è semplicemente impossibile da fare.
Allo stesso tempo, è molto difficile dimostrare che sia stata utilizzata la modifica del genoma per creare una particolare varietà utilizzando i metodi esistenti.
Durante il test gli specialisti cercheranno una sequenza marcatore nel genoma dell'organismo; se sarà presente, la pianta verrà riconosciuta come geneticamente modificata. Ma con l’editing genomico non viene introdotto nulla nel genoma, quindi non è possibile trovare nulla.
I cambiamenti spesso colpiscono non solo un gene, ma una posizione specifica nel gene, letteralmente un nucleotide, una lettera. E i restanti miliardi di lettere rimangono com'erano. Per stabilire se una pianta è stata modificata è necessario leggerne effettivamente l'intero genoma, con una copertura dieci volte superiore allo standard per eliminare l'errore. Nessuno farà un'analisi così voluminosa e costosa, e il costitutore potrà sempre dire di aver ottenuto la pianta mediante mutagenesi o selezione tradizionale.
– M.L.: L’editing genomico in generale, e in particolare l’esperienza dell’utilizzo di queste tecnologie sulle piante, è una storia abbastanza recente.
Anche perché per cambiare una caratteristica bisogna sapere cosa esattamente e come modificarla. I tratti delle piante sono determinati dai geni, molto spesso da un insieme di geni, da cui devono essere selezionati i bersagli adatti per la modifica. Ma chiarire le funzioni e la regolazione di geni specifici che contribuiscono ai tratti di interesse richiede studi complessi e spesso lunghi. Se confrontiamo gli animali e l’uomo possiamo dire che non conosciamo molto bene molti dei meccanismi molecolari che caratterizzano le piante (ad esempio la resistenza, la produttività, ecc.). Allo stesso tempo, i genomi delle piante sono più grandi e complessi, il che non semplifica affatto il compito. Tuttavia, molto è già noto attraverso la ricerca di base in biologia vegetale, e quanto più lo comprendiamo, tanto più aumentano le nostre possibilità di modifica.
Inoltre si tratta di un metodo che permette di correggere alcune caratteristiche, ma non di introdurre sul mercato nuove varietà, lavoro per il quale, nonostante qualche accelerazione, ci vogliono ancora anni.
– I biotecnologi fanno editing genetico? Come determinano l'effettiva direzione del lavoro (lo scopo del montaggio)?
VT: Il biotecnologo deve lavorare in tandem con un selezionatore di successo della coltura scelta e, idealmente, coinvolgere altri produttori specializzati. L'allevatore, insieme agli agricoltori, stabilisce il compito, l'allevatore aiuta a selezionare i genotipi adatti. Noi, a nostra volta, ci consultiamo con biochimici e genetisti, pensiamo su questa base cosa possiamo offrire (le caratteristiche necessarie non sono sempre sufficientemente studiate da un punto di vista biologico). Esaminiamo ciò che possiamo effettivamente fare, svolgiamo la nostra fase di lavoro, restituiamo la linea risultante all'allevatore e l'allevatore porta il risultato alla varietà.
- L’editing genomico è una tecnologia costosa?
VT: Il costo per ottenere una pianta dipende dal raccolto e dal fatto che la pianta risultante sia modificata o transgenica.
Se parliamo di attrezzature, per un'azienda che è già impegnata nell'ottenimento di materiale esente da virus e nella microclonazione, l'acquisto di attrezzature e reagenti per l'editing del genoma costerà un importo relativamente piccolo. L’ostacolo all’avvio di tale lavoro potrebbe non essere l’enorme quantità di investimenti, ma la mancanza di personale qualificato. Sono pochissime le persone che possono assumersi ed eseguire un compito così specializzato.
E tornando ai costi: il progresso tecnologico in questo ambito è molto rapido. I metodi di modifica del genoma, diciamo, nel 2012, quando è stato scoperto CRISPR/Cas9 (una tecnologia per modificare i genomi di organismi superiori, basata sul sistema immunitario dei batteri), e quello che abbiamo ora sono molto diversi. L’efficienza operativa aumenta di anno in anno e i costi diminuiscono.
M.L.: Questo può essere paragonato al progetto di sequenziamento del genoma umano. Il primo genoma umano è stato sequenziato da un consorzio internazionale per 10 anni per 2.7 miliardi di dollari semplicemente perché tali tecnologie erano disponibili negli anni '90. Attualmente, il sequenziamento di un genoma umano completo costa meno di 1000 dollari e richiede un paio di giorni.
– Passiamo a parlare del vostro laboratorio, è focalizzato sulla scienza fondamentale o sulla ricerca applicata?
VT: Cerchiamo di fare entrambe le cose. Inizialmente è stata data priorità alle cose fondamentali, ma ora stiamo cercando di applicare i nostri sviluppi alla pratica.
Al momento, ad esempio, stiamo studiando i meccanismi di resistenza delle patate al virus Y. Si tratta di un lavoro fondamentale, ma in caso di successo il risultato sarà molto interessante per la selezione di varietà resistenti.
M.L.: La scienza fondamentale e quella applicata sono strettamente interconnesse; l’una non può esistere senza l’altra. Se non sappiamo come interagisce il virus con la pianta, con quali proteine specifiche, non saremo in grado di modificarle per rendere la pianta resistente.
Conduciamo ricerche sul virus Y dal 2018 e ora ci stiamo avvicinando al fatto che nei prossimi due anni otterremo una formula per la resistenza, e in futuro il necessario risultato pratico: la pianta di patata non sintetizzerà le proteine virali, sarà resistente al virus.
– Collaborate con aziende/allevatori russi?
VT: Sulle patate lavoriamo con la giovane allevatrice Maria Polyakova, comunichiamo attivamente con gli esperti dell'Unione delle patate e manteniamo i contatti con il Centro federale di ricerca sulla patata che porta il suo nome. A.G. Lorja. Per quanto riguarda il cavolo, interagiamo con gli allevatori e i coltivatori di sementi dell'Università statale agraria russa-Accademia agraria di Mosca da cui prende il nome. K.A. Timiryazev di Grigory e Socrates Monachos. E in ciò che facciamo in questo ambito siamo completamente guidati da loro.
– E ancora sui virus. Marina Valerievna, il tuo ambito di interessi scientifici non comprende solo il virus Y. Nel 2023, hai ricevuto una sovvenzione dalla Russian Science Foundation per condurre ricerche sul progetto “Studio dei viromi delle patate coltivate (Solanum tuberosum L.) utilizzando metodi di sequenziamento ad alto rendimento”. Perché questo argomento è interessante?
M.L.: Le patate, più di molte altre piante, soffrono di malattie virali, poiché si propagano vegetativamente. I virus si accumulano nei tuberi e vengono trasmessi alle generazioni successive, quindi la carica virale è in costante aumento. Quando dicono che le patate stanno degenerando, stiamo parlando proprio di questo.
I virus non sono sistemi inerti; interagiscono attivamente sia con la pianta ospite che tra loro. Ci sono casi in cui una pianta già malata da un virus specifico non può essere infettata da un altro. E ci sono virus che non possono infettare una pianta da soli; agiscono solo in collaborazione con altri virus. Proprio di recente è stato pubblicato un lavoro che descrive forme di virus che aiutano le piante a sopravvivere alla siccità. Una transizione così inaspettata dal parassitismo al mutualismo.
Non esistono sostanze chimiche efficaci per combattere le malattie virali sulle patate. Per migliorarne la salute sono stati sviluppati metodi piuttosto complessi e, soprattutto, costosi: attraverso la coltura in vitro, si ottengono microtubi. Ma il risultato dura solo per poche generazioni. Per trovare altre soluzioni è necessario studiare più in dettaglio le caratteristiche dei virus, quindi lo studio è molto, molto rilevante.
– GOST 33996-2016 “Patate da semina. Condizioni tecniche e metodi per determinare la qualità" sono elencati cinque virus (PVK - virus della patata X; SBK - virus della patata S; MVK - virus della patata M; YBK - virus della patata Y; VSLK - virus dell'arricciatura fogliare patata) e un viroide (PSTV – viroide del tubero dell'affusolamento della patata). Ti concentrerai su di loro?
M.L.: Il mio progetto mira a utilizzare metodi ad alto rendimento per studiare i viromi (collezioni di virus) presenti sulle patate in Russia. Ciò è interessante sia dal punto di vista di quali complessi di diversi virus si trovano su una pianta, sia dal punto di vista della prevalenza di questi virus.
In totale, nel mondo sono conosciuti più di 50 virus trovati sulle patate. Quelli elencati in GOST sono tra i più pericolosi e inoltre presentano chiari segni esterni. Pertanto, la necrosi a mosaico è una manifestazione comune dell'infezione da virus Y e la presenza del virus dell'arricciatura fogliare può essere determinata dalla caratteristica deformazione delle lamine fogliari.
Ma ci sono molti virus che non si manifestano fenotipicamente, sebbene possano avere effetti anche sul raccolto. Raramente vengono scoperti, ma solo perché non vengono cercati.
Ad esempio, posso citare il lavoro dei colleghi dell'Istituto panrusso di ricerca per la protezione delle piante (VIZR). Nel 2019 è stato pubblicato un articolo sulla scoperta in Russia del virus della patata P. In precedenza si credeva che fosse diffuso esclusivamente in Sud America.
La domanda è cosa scopriremo se guardiamo non “sotto il lampione” dove c’è luce, ma dove non abbiamo ancora guardato.
– Dove condurrai la tua ricerca?
M.L.: Secondo i termini della sovvenzione, il progetto durerà due anni. L'anno scorso abbiamo collaborato con un'azienda agricola di patate nella regione di Tula, raccolto materiale, lavorato con diverse varietà e riproduzioni. Quest’anno andremo in altre regioni e vedremo quali virus si trovano lì.
I risultati dello studio saranno riassunti nel 2025 e ne parleremo sicuramente ai coltivatori di patate russi.