Różne zastosowania biotechnologii roślin

Zastosowania biotechnologii roślin!

Inżynieria genetyczna roślin stwarza okazję do zmiany ich właściwości lub wydajności w celu poprawy ich użyteczności. Taka technologia może być stosowana do modyfikacji ekspresji genów już obecnych w roślinach lub do wprowadzania nowych genów innych gatunków, z którymi roślina nie może być hodowana konwencjonalnie. W ten sposób zapewnia większą skuteczność w spełnianiu konwencjonalnych celów hodowlanych.

Jednym z istotnych zastosowań takich technik jest dodanie pojedynczych genów do pożądanych typów roślin. Transformacja roślin może być wykorzystana do wprowadzenia nowych lub nowych cech, które tworzą nowy rynek lub wypierają konwencjonalne produkty. Poprawa może odnosić się do wartości odżywczej rośliny lub właściwości funkcjonalnych w przetwarzaniu lub nawet do konsumpcji jako takiej.

Przede wszystkim technologia ta rozszerza możliwości przenoszenia genów między niespokrewnionymi organizmami, a tym samym tworzy nową informację genetyczną poprzez swoistą zmianę klonowanych genów. Omówmy szczegółowo następstwa tej technologii.

Jakość jedzenia:

Wartość odżywcza :

Uprawy nasion odgrywają ważną rolę w żywieniu ludzi i zwierząt. Tylko kilka zbóż przyczynia się do prawie pięćdziesięciu procent wszystkich kalorii żywności. Podobnie, siedem gatunków nasion strączkowych stanowi dużą część naszego spożycia kalorii.

Jednak zboża i rośliny strączkowe zawierają pewne białka, które wykazują niedobór aminokwasów, takich jak lizyna i treonina. Rośliny strączkowe mają również niedobór aminokwasów siarkowych. Niektóre inne rośliny nasienne, takie jak ryż, oferują lepszą równowagę aminokwasów, ale spadają na ogólny poziom białka.

Zgodnie z logiką, każda z tych potraw mogłaby zostać wyrzucona do perfekcji, gdyby ich niedobory mogły zostać przezwyciężone przez pożyczanie brakujących cech z innych upraw. To właśnie robi biotechnologia roślin - przenoszenie pojedynczych lub wielu genów do roślin bez ważnych składników.

Niedawno profesor Ingo Potrykus ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (Zurich) i dr Peter Beyer z Uniwersytetu we Fryburgu (Niemcy) opracowali "Złoty Ryż", który ma wyższy poziom prowitaminy A lub b-karotenu.

Oczekuje się, że ten zmodyfikowany ryż zapewni korzyści odżywcze osobom cierpiącym na choroby związane z niedoborem witaminy A, w tym nieodwracalną ślepotę u setek tysięcy dzieci rocznie. Odpowiednia zawartość witaminy A może również zmniejszyć śmiertelność związaną z chorobami zakaźnymi, takimi jak biegunka i odra dziecięca poprzez zwiększenie aktywności ludzkiego układu odpornościowego.

Narzędzia genetyczne można wykorzystać do zmiany zawartości węglowodanów, tłuszczów, błonnika i witamin w żywności. Innym przydatnym zastosowaniem jest zbieranie genów z zbóż bogatych w białko i przenoszenie ich do żywności o niskiej zawartości białka. W rzeczywistości podobny eksperyment przeprowadzono na Uniwersytecie Jawaharlal Nehru w New Delhi, gdzie naukowcy przenieśli gen z amarantusa (Chaulai) do ziemniaka. Ziemniak zarejestrował wzrost nie tylko pod względem zawartości białka, ale także w jego wielkości.

Narzędzia transgeniczne są również wykorzystywane do poprawy wartości odżywczej upraw poprzez zmniejszenie ich czynników przeciwodżywczych (takich jak inhibitory proteazy i hemaglutyniny w roślinach strączkowych). Problemy związane z wzdęciami w niektórych pokarmach można również rozwiązać, manipulując zawartością błonnika pokarmowego i oligosacharydów.

Zastosowania biotechniczne są niezwykle przydatne również w przypadku pszenicy. Jakość pszenicy determinowana jest obecnością białek magazynujących nasiona w ziarnie. W ten sposób jego jakość można poprawić poprzez manipulowanie obecnością tych białek. Można również dodać więcej białek glutenowych, aby uzyskać większą elastyczność ciasta. Ponadto, zawartość skrobi w pszenicy można zmieniać tak, aby odpowiadała właściwościom produktów takich jak kluski.

Jakość funkcjonalna:

Transformację można zastosować do owoców i warzyw, aby poprawić ich smak i teksturę poprzez manipulowanie procesem ich dojrzewania. Wydajność produktów roślinnych podczas ich przetwarzania może również zostać poprawiona dzięki inżynierii genetycznej. Na przykład, pierwsza genetycznie zmodyfikowana żywność, pomidor Flavr-Savr został zmanipulowany genetycznie w celu spowolnienia dojrzewania i miał dłuższy okres przydatności do spożycia (ryc. 2).

Inną powszechną strategią kontrolowania dojrzewania jest ograniczenie produkcji etylenu kwasu dojrzewającego. Etylen jest wytwarzany z S-adenozylometioniny przez konwersję do kwasu 1-amino-cyklopropano-1-karboksylowego (ACC) w obecności ACC Synthase, a następnie wytwarzanie etylenu przez oksydazę ACC lub enzym tworzący etylen.

Dojrzewanie może być opóźnione przez skierowanie konstruktów antysensownych przeciwko którymkolwiek z tych enzymów lub przez usunięcie ACC z deaminazą ACC. Owoce mogą być następnie dojrzewane zgodnie z wymaganiami ekspozycji na sztuczne źródło etylenu.

Słodowanie i zaparzanie:

Produkcja piwa polega na kiełkowaniu jęczmienia w kontrolowanych warunkach. Jakość piwa zależy więc w dużej mierze od składu ziarna jęczmienia. Wiele cech tych ziaren można znacznie poprawić dzięki inżynierii genetycznej. Na przykład, poprawa stabilności enzymów jęczmienia (zwłaszcza w wysokich temperaturach) może zwiększyć jego skuteczność w temperaturze stosowanej podczas zacierania. Smak piwa można również zmanipulować poprzez genetyczną obróbkę jęczmienia. Jedną z takich technik jest redukcja poziomów lipooksygenaz.

Węglowodany magazynujące:

Zwiększenie poziomu niektórych enzymów, takich jak pirofosforylaza ADP, może zwiększyć syntezę skrobiową produktów spożywczych. Może to poprawić wydajność skrobiowych produktów spożywczych. Transformacja może również zmieniać właściwości skrobi roślinnych. Można również regulować udział amylazy i amylopektyny w skrobi oraz jakość. Umożliwiłoby to dostosowanie skrobi do wymagań określonych produktów spożywczych lub produktów przemysłowych.

Rośliny transgeniczne o podwyższonym poziomie fruktanów (forma glukozy) są już produkowane przy użyciu leansferry z bakterii. Zawartość sacharozy w roślinach można również modyfikować w celu poprawy jakości upraw cukrowych, takich jak trzcina cukrowa i burak cukrowy.

Oporność na choroby:

Odporność na owady:

Inżynieria genetyczna okazała się dobrodziejstwem dla produkcji roślin odpornych na szkodniki. Technologia ta przezwyciężyła wady stosowania chemicznych pestycydów. W ostatnim czasie ogromną popularność zyskała technika wprowadzania genów odpornych na choroby do gatunków roślin.

Na przykład inhibitory proteazy mogą zapobiegać trawieniu białek przez owady, a tym samym spowalniać ich tempo wzrostu. Przeniesienie takich białek do roślin działa jak naturalny mechanizm ochrony przed atakiem owadów.

Niektóre geny bakteryjne również okazały się dość skuteczne w zapobieganiu szkodom powodowanym przez szkodniki. Bacillus thuringiensis (Bt) produkuje toksynę Bt, która jest skuteczna przeciwko larwom owadów. Rośliny transgeniczne niosące geny Bt zostały wyprodukowane w uprawach takich jak soja, kukurydza i bawełna i okazały się odporne na ataki szkodników.

Wiele innych związków serologicznych (substancji chemicznych, które zmieniają zachowanie owadów) jest produkowanych przez niektóre gatunki owadów i roślin. Przeniesienie ich do innych roślin może być bardzo skuteczne w sprawdzaniu występowania choroby. Aby przyjąć inny przykład, podatne na uprawy ziemniaki nie zawierają środków antyadhezyjnych, takich jak farnaza, terpenoid i inne pokrewne związki.

Są one wytwarzane przez odporne na mszycę gatunki roślin, takie jak Solanum berthaultii (w włosach liściastych). Związki te działają poprzez wywoływanie reakcji ataków u mszyc, tak że nie są w stanie utrzymać się na plonie. Przeniesienie tych genów na plon ziemniaka może chronić go przed zagrożeniem mszycą.

Odporność na wirusy:

Produkcja roślin transgenicznych odpornych na wirusy jest jednym z najbardziej udanych zastosowań transformacji roślin. Udowodniono skuteczność kilku strategii obejmujących ekspresję genomu wirusa w roślinie. Na przykład ekspresja genu białka płaszcza z wirusa była szeroko stosowana. Zarówno sensowna, jak i antysensowna ekspresja części genomu wirusa może chronić przed infekcją wirusową.

Odporność na nicienie:

Nowe geny oporności na nicienie oferują alternatywne podejście do produkcji roślin odpornych na nicienie. Inżynieria genetyczna stwarza okazję do opracowania roślin transgenicznych o genetycznej odporności na te długotrwałe szkodniki roślin, a tym samym do zmniejszenia zależności od chemicznych nematocydów w rolnictwie.

Odporność na herbicyd :

Wybór środka chwastobójczego jest bardzo istotny, ponieważ niesie ze sobą wysokie ryzyko wywoływania oporności. Chwasty mogą szybko rozwinąć wiele oporności na herbicydy w niektórych systemach, gdy kilka klas herbicydów działa na ten sam cel molekularny. Również tutaj geny oporności na herbicydy zapewniają ochronę poprzez detoksykację herbicydu (przekształcenie go w nieaktywną formę).

Zwiększanie efektywności fotosyntezy:

Proces fotosyntezy jest najważniejszym mechanizmem dodawania energii do roślin. Jednak nawet najbardziej wydajne rośliny mogą wykorzystywać tylko około trzech do czterech procent pełnego światła słonecznego. Biotechnologia jest obecnie wykorzystywana do poprawy poziomu wydajności fotosyntetycznej RuBPCazy (karboksylazy rybofosforanu rybulozy, związanej z wiązaniem dwutlenku węgla).

Zwiększa to wydajność katalizy i zmniejsza konkurencyjną funkcję oksazy (jak RuBP Case również zachowuje się jak oksygenaza). Przydatne warianty można również wytworzyć łącząc geny kodujące duże i małe podjednostki enzymów z różnych gatunków.

Dwa różne sposoby robienia tego to:

Absotic Stress Tolerance:

Wydajność zakładów cierpi z powodu dużych strat spowodowanych różnymi formami stresu w trakcie ich rozwoju. Te czynniki stresowe obejmują temperaturę, zasolenie, suszę, powodzie, promieniowanie UV i różne infekcje. Chociaż podstawy molekularne takich odpowiedzi nie są jeszcze jasne, wiemy, że obejmują one de novo syntezę specyficznych białek (pod wpływem szoku temperaturowego) i enzymów (dehydrogenaza alkoholowa pod anaerobiozą i aminotiaza fenyloalaniny w promieniowaniu UV).

Geny odpowiadające na stres abiotyczny zostały sklonowane i zsekwencjonowane w wielu laboratoriach, w tym u autorów, którzy zidentyfikowali i stransformowali gen kodujący glioksalazę 1, aby nadać tolerancję roślinom.

Zidentyfikowano również sekwencje regulatorowe niektórych genów. Na przykład, sekwencja 5? Promotorowa dehyhrogenazy alkoholowej została połączona z reporterem CAT (genem acetylocholimeru Chloremphhenicol) i przeniesiona do protoplastów tytoniu, w których wykazano wrażliwość na O2.

Takie przyjazne dla środowiska promotory z pewnością staną się przydatnymi narzędziami do badania ekspresji genów, a prace te stworzą podstawę dla przenoszenia podatnych na stres genów pod regulowanymi promotorami na podatne gatunki. Ostatnio opracowano rośliny pomidora odporne na zasolenie.

Geny pochodzące z różnych organizmów, takich jak zasoby morskie, mogą być również wykorzystywane do ulepszania roślin na różne sposoby. Jest to innowacyjny krok w kierunku rozwoju gatunków tolerujących sole poprzez przenoszenie genów z roślin morskich (halofity) na uprawy zbóż i warzyw.

Podobnie gen, który koduje białko z ryby flądry, został przekształcony w rośliny, aby chronić je przed uszkodzeniem przez zamrażanie. Białko to może być użyteczne w zapobieganiu uszkodzeniom spowodowanym przez mróz podczas przechowywania po zbiorze. Zatem zamrażanie może być stosowane do zachowania tekstury i smaku niektórych owoców i warzyw, które obecnie nie są odpowiednie do zamrażania.

Rozwój zdolności do zatrzymywania azotu w roślinach bez roślin strączkowych:

Chociaż stosowanie nawozów azotowych okazało się skuteczną drogą do poprawy plonów, nadal jest to droga propozycja. Alternatywą jest zapewnienie naturalnego źródła azotu w roślinie. Wprowadzenie mikroorganizmów wiążących azot może to zrobić.

Takie mikroorganizmy są zdolne do wiązania atmosferycznego azotu w obecności bakterii wiążących azot Rhizobium. Przekształcenie genów wiążących azot (geny nif) z roślin strączkowych na rośliny nieżywotne może stanowić opłacalną alternatywę dla drogich nawozów.

Jednak inne sposoby poprawy wydajności azotu w roślinach można osiągnąć poprzez zwiększenie wydajności procesu wiązania w bakteriach symbiotycznych, zwiększenie wydajności procesu utrwalania w bakteriach syntetycznych, modyfikację bakterii wiążących azot w celu utrzymania wiązania azotu w obecności egzogennych azot.

Cytoplazmatyczna męska sterylność :

Wiele badań poświęcono wyjaśnieniu mechanizmu cytoplazmatycznej męskiej sterylności (CMS). Ta cecha powoduje wytwarzanie nieczynnego pyłku u dojrzałych gatunków roślin, takich jak sorgo, kukurydza i burak cukrowy, a zatem ułatwia wytwarzanie cennych wysoko wydajnych nasion hybrydowych.

Cytoplazmatyczna męska sterylność u tych gatunków roślin jest zasadniczo związana z reorganizacją mitochondrialnego DNA i syntezą nowych polipeptydów. Szybko rozwijające się narzędzia biotechnologiczne mogą ostatecznie umożliwić przeniesienie cechy CMS do męskopłodnych linii. Genetycznie modyfikowana męskosterylność ma również duży potencjał do generowania hybryd w rolnictwie.

Rozwój roślin :

Rozwój rośliny jest złożonym procesem, który obejmuje rolę receptorów świetlnych, takich jak fitochrom, ekspresja genu chloroplastu, ekspresja genów mitochondrialnych w odniesieniu do męskiej sterylności, akumulacji produktu do przechowywania i rozwoju organu przechowującego (owoce).

Możliwe jest teraz klonowanie i sekwencjonowanie różnych genów odpowiedzialnych za rozwój roślin. Zwiększyło to możliwość manipulowania ekspresją tych genów, a następnie procesu, w który są zaangażowane. Na przykład, doniesiono, że wczesne geny kwitnące zmieniają właściwości późno dojrzewających odmian.

Izolacja specyficznych elementów promotorowych pomogła również zaprojektować uprawy, które eksprymują białka w określonych tkankach. Geny odpowiedzialne za tworzenie kolorów można przenosić na rośliny z bezbarwnymi kwiatami. Co więcej, manipulowanie genami kontrolującymi kwitnienie i tworzenie się pyłków może generować rośliny transgeniczne o zmienionej płodności. Ekspresja liściastego i genu APETALAI u Arabidopsis doprowadziła do przedwczesnego kwitnienia.

Podobnie przypuszczalne receptory hormonalne u roślin wpływają na wrażliwość różnych tkanek na regulatory wzrostu, a następnie na ich różnicowanie i rozwój. Wprowadzenie genów typu dzikiego lub zmodyfikowanych dla określonych regulatorów wzrostu okazało się skuteczne w manipulowaniu rozwojem roślin (jak zmiana czasu dojrzałości lub liczby i wielkości bulw ziemniaka). To podejście można zastosować do modyfikacji odpowiedzi kwitnienia, rozwoju owoców i ekspresji genów białka magazynującego.

Przydatne białka z roślin :

Wiele roślin jest obecnie wykorzystywanych do produkcji użytecznych białek. To spowodowało powstanie Neutraceuticals - słowa wymyślonego dla gotowego jedzenia. Te pokarmy są również znane jako żywność funkcjonalna. Środki neutralizujące obejmują wszystkie "projektowane" produkty spożywcze z płatków śniadaniowych wzbogaconych w witaminy do Benecolu, margaryny, która faktycznie obniża poziom cholesterolu LDL. Wiodąca amerykańska firma, Novartis Consumer Health, szacuje rynek żywności funkcjonalnej w USA na około dziesięć miliardów dolarów, z przewidywaną roczną stopą wzrostu wynoszącą dziesięć procent.

Produkcja szczepionek z roślin :

Rośliny są bogatym źródłem antygenów do immunizacji zwierząt. Rośliny transgeniczne można opracować w celu wytworzenia białek antygenowych lub innych cząsteczek. Wytwarzanie antygenu w jadalnej części rośliny może okazać się łatwym i skutecznym sposobem dostarczania antygenu do jadalnej części rośliny, może okazać się łatwym i skutecznym sposobem dostarczania antygenu.

Potencjalne zastosowania tej technologii obejmowałyby skuteczną immunizację ludzi i zwierząt przeciwko chorobie i kontrolę szkodników zwierzęcych. Na przykład, antygeny wirusa zapalenia wątroby typu B zostały z powodzeniem wyrażone w roślinach tytoniu i użyte do immunizacji myszy. Myszy karmione ziemniakami ekspresjonującymi jednostkę P-sub enterotoksyny E. coli LT-B wytwarzały również przeciwciała, chroniąc w ten sposób przed toksyną bakteryjną.

Technika ta może utorować drogę do niedrogiej immunizacji przeciwko kilku chorobom ludzkim. Doustne szczepionki przeciwko cholerze zostały już wyrażone w roślinach. Generowanie antygenów przez rośliny jest nie tylko opłacalne, ale może być również produkowane masowo i łatwo odzyskiwane.