Forskellige anvendelser af plantebioteknologi

Anvendelser af plantebioteknologi!

Geneteknologi af planter giver mulighed for at ændre deres egenskaber eller ydeevne for at forbedre deres anvendelighed. En sådan teknologi kan anvendes til at modificere ekspressionen af ​​gener, som allerede er til stede i planterne, eller at introducere nye gener af andre arter, som planten ikke kan opdrættes konventionelt. Det giver således større effektivitet til opfyldelsen af ​​konventionelle avlsformål.

En af de betydelige anvendelser af sådanne teknikker ligger i at tilsætte enkeltgener til ønskelige plantetyper. Plantetransformation kan bruges til at introducere nye eller nye egenskaber, der skaber et nyt marked eller fortrænger konventionelle produkter. Forbedringen kan vedrøre plantens næringsværdi eller de funktionelle egenskaber ved forarbejdning eller endog forbrug i sig selv.

Frem for alt udvider denne teknologi muligheden for at overføre gener mellem ikke-relaterede organismer og skaber således ny genetisk information ved specifik ændring af klonede gener. Lad os diskutere konsekvenserne af denne teknologi mere detaljeret.

Fødevarekvalitet:

Ernæringsmæssige kvalitet :

Frøafgrøder spiller en vigtig rolle i menneskelig og dyreernæring. Kun få korn bidrager til næsten halvtreds procent af de samlede fødevarekalorier. Tilsvarende tegner sig syv arter af bælgplanter for en stor del af vores kalorieindtag.

Dog indeholder korn og bælgfrugter visse proteiner, der mangler aminosyrer som lysin og threonin. Bælgplanter er også mangelfulde i svovlaminosyrer. Nogle andre frøafgrøder som ris giver en bedre balance mellem aminosyrer, men falder ud på deres samlede proteinniveau.

Fælles logik følger, at hver af disse fødevarer kunne blive katapulteret til perfektion, hvis deres mangler kunne overvindes ved at låne de manglende træk fra andre afgrøder. Det er præcis hvad plantebioteknologi gør - overførslen af ​​enkelt- eller flere gener til planter, der mangler vigtige komponenter.

For nylig udviklede professor Ingo Potrykus ved det schweiziske føderale institut for teknologi (Zürich) og dr. Peter Beyer fra universitetet i Freiburg (Tyskland) "Golden Rice", som har større niveauer af vitamin A eller b-caroten.

Denne modificerede ris forventes at give ernæringsmæssige fordele for dem, der lider af vitamin A-mangelrelaterede sygdomme, herunder irreversibel blindhed i hundredtusindvis af børn årligt. Tilstrækkeligt vitamin A-indhold kan også reducere dødeligheden forbundet med smitsomme sygdomme som diarré og barndomsmaslinger ved at forøge aktiviteten af ​​det humane immunsystem.

Genetiske værktøjer kan bruges til at ændre kulhydrat, fedt, fiber og vitaminindhold i fødevarer. En anden nyttig anvendelse er at samle gener fra proteinrige korn og overføre dem til protein med lavt proteinindhold. Faktisk blev der udført et lignende eksperiment på Jawaharlal Nehru University of New Delhi, hvor forskere overførte et gen fra amarant (Chaulai) til en kartoffel. Kartoflen registrerede en stigning ikke kun i proteinindholdet, men også i dens størrelse.

Transgene værktøjer bruges også til at forbedre ernæringsværdien af ​​afgrøder ved at reducere deres anti-næringsmæssige faktorer (som proteasehæmmere og hæmaglutininer i bælgfrugter). Problemer forbundet med flatulens i bestemte fødevarer kan også behandles ved at manipulere diætfibre og oligosaccharidindhold.

Biotekniske anvendelser er yderst nyttige i tilfælde af hvede også. Kvaliteten af ​​hvede bestemmes af tilstedeværelsen af ​​frø-opbevaringsproteiner af kornet. Således kan dets kvalitet forbedres ved at manipulere tilstedeværelsen af ​​disse proteiner. Flere glutenproteiner kan også tilsættes for at give forbedret elasticitet til dej. Endvidere kan stivelsesindholdet i hvede ændres for at passe til egenskaberne hos produkter som nudler.

Funktionel kvalitet:

Transformation kan påføres frugt og grøntsager for at forbedre deres smag og tekstur ved at manipulere deres modningsproces. Udførelsen af ​​planteprodukter under deres behandling kan også forbedres ved genteknologi. Flavr-Savr-tomat blev for eksempel den første genetisk manipulerede fødevare genetisk manipuleret for at bremse modningen og har en længere holdbarhed (fig. 2).

En anden fælles strategi til bekæmpelse af modning er at bremse produktionen af ​​modnings hormonet ethylen. Ethylen fremstilles ud fra S-adenosylmethionin ved omdannelse til 1-aminocyclopropan-1-carboxylsyre (ACC) i nærværelse af ACC Synthase efterfulgt af dannelsen af ​​ethylen med et ACC oxidase eller ethylendannende enzym.

Modning kan forsinkes ved at dirigere antisense-konstruktioner mod et af disse enzymer eller ved at fjerne ACC med en ACC-deaminase. Frugter kan derefter modnes som krævet ved udsættelse for en kunstig ethylenkilde.

Maltning og brygning:

Ølproduktionen indebærer spiring af byg under kontrollerede forhold. Ølets kvalitet afhænger således i vid udstrækning af bygets kornsammensætning. Mange kvaliteter af disse korn kan forbedres væsentligt gennem genteknologi. For eksempel kan forbedring af stabiliteten af ​​bygenzymerne (især ved høje temperaturer) forbedre dens effektivitet ved den temperatur, der anvendes under mashing. Ølens smag kan også manipuleres ved genetisk behandling af byg. En sådan teknik er at reducere niveauerne af lipo-oxygenase.

Opbevaring Kulhydrater:

Forøgelse af niveauerne af visse enzymer som ADP pyrophosphorylase kan forbedre stivelsessyntese af fødevareprodukter. Dette kan forbedre udbyttet af stivelsesholdige fødevarer. Transformation kan også ændre plantens stivelsesegenskaber. Andelen af ​​amylase og amylopektin i stivelsen og kvaliteten kan også reguleres. Dette ville gøre det muligt at skræddersy stivelsen til at opfylde krav til bestemte fødevarer eller industriprodukter.

Transgene planter med forøgede niveauer af fruktaner (en form for glucose) produceres allerede ved anvendelse af en levansucrase fra bakterier. Sukroseindholdet i planter kan også manipuleres for at forbedre kvaliteten af ​​sukkerafgrøder som sukkerrør og sukkerroer.

Sygdomsresistens:

Insektresistens:

Geneteknik har vist sig at være en velsignelse for at producere skadedyrsbestandige planter. Denne teknologi har overvundet manglerne ved at bruge kemiske pesticider. Senest har teknikken til at indføre sygdomsresistente gener i plantearter også fået en enorm popularitet.

For eksempel kan proteaseinhibitorer forhindre fordøjelsen af ​​proteiner med insekter og dermed nedsætte deres væksthastighed. Overførslen af ​​sådanne proteiner til planterne virker som en naturlig beskyttelsesmekanisme mod insektangreb.

Visse bakteriegener har også vist sig at være ret effektive til forebyggelse af skadedyrsskade. Bacillus thuringiensis (Bt) producerer Bt-toksin, som virker effektivt mod insektlarver. Transgene planter med Bt-gener er blevet produceret i afgrøder som sojabønne, majs og bomuld og har vist sig at være resistente overfor skadedyrsangreb.

Mange andre serokemikalier (kemikalier, som ændrer insektadfærd) produceres af visse insekter og plantearter. Overførsel af disse til andre planter kan være meget effektiv til kontrol af sygdomsincidens. For at tage et andet eksempel indeholder den modtagelige kartoffelafgrøde ikke foderkemikalier som farnase, terpenoid og andre beslægtede forbindelser.

Disse er fremstillet af bladlus resistente plantearter som Solanum Berthaultii (i bladhår). Disse forbindelser virker ved at fremkalde et angrebssvar i bladlus, så de ikke kan etablere sig på afgrøden. Overførsel af disse gener til kartoffelafgrøden kan beskytte det mod bladlusen.

Virus modstand:

Produktion af transgene planter med resistens over for vira er et af de mest succesrige anvendelser af plantetransformation. Flere strategier, der involverer ekspression af virusgenomet i planten, har vist sig at være effektive. Eksempelvis har ekspressionen af ​​frakkeprotein-gen fra virus været meget vellykket. Både sense- og antisense-ekspression af dele af det virale genom kan være beskyttende mod virusinfektion.

Nematode Resistance:

Nye gener til nematod resistens tilbyder en alternativ tilgang til produktion af nematod resistente planter. Geneteknik giver mulighed for at udvikle transgene planter med genetisk resistens over for disse langsigtede plante skadedyr, og dermed reducere afhængigheden af ​​kemiske nematicider i landbruget.

Herbicidresistens :

Valget af et herbicid er meget kritisk, da det bærer en høj risiko for at fremkalde resistens. Ugress kan hurtigt udvikle flere herbicidresistens i nogle systemer, når flere klasser af herbicid virker på samme molekylære mål. Her har herbicidresistensgener også beskyttelse ved at afgifte herbicidet (omdanne det til en inaktiv form).

Forbedring af fotosyntetisk effektivitet:

Processen med fotosyntese er den mest betydningsfulde mekanisme til at tilføre energi til planterne. Men selv de mest effektive planter kan kun udnytte omkring tre til fire procent af det fulde sollys. Bioteknologi bruges nu til at forbedre niveauet for fotosyntetisk effektivitet af RuBPCase (Ribulose-bisphosphatcarboxylase, der er involveret i carbondioxidfiksering).

Dette forbedrer katalysatorens effektivitet og reducerer den konkurrencedygtige oxygenasefunktion (da RuBP Case også opfører sig som en oxygenase). Nyttige varianter kan også produceres ved at kombinere generne, der koder for store og små underenheder af enzymerne fra forskellige arter.

To forskellige måder at gøre dette på er:

Abiotisk stresstolerance:

Planteproduktiviteten lider store tab som følge af forskellige former for stress i løbet af deres udvikling. Disse stressfaktorer omfatter temperatur, saltholdighed, tørke, oversvømmelser, UV-lys og forskellige infektioner. Selv om molekylære grundlaget for sådanne svar endnu ikke er klart, ved vi, at de omfatter de novo-syntese af specifikke proteiner (under temperaturchok) og enzymer (alkoholdehydrogenase under anaerobiosis og phenylalaninaminase under UV-bestråling).

Generene der reagerer på abiotisk stress er blevet klonet og sekventeret i mange laboratorier, herunder forfatterne, der identificerede og transformerede et gen, som koder for glyoxalase 1, for at give tolerance til planter.

Reguleringssekvenserne for nogle af generne er også blevet identificeret. For eksempel er 5'-promotorsekvensen af ​​alkohol dehyrogentase blevet bundet til CAT-reporteren (Chloremphenicol Acetyl Transferase) -genet og overført til tobaksprotoplaster hvor O2-følsom ekspression er blevet påvist.

Sådanne miljømæssigt inducerbare promotorer vil helt sikkert blive nyttige værktøjer til at studere genekspression, og dette arbejde vil danne grundlag for overførsel af stress-responsive gener under regulerede promotorer til modtagelige arter. For nylig er der udviklet tomatplanter, der er modstandsdygtige over for saltholdighed.

Gen fra forskellige organismer som marine ressourcer kan også bruges til at forbedre planterne på forskellige måder. Dette er et innovativt skridt i retning af udvikling af salttolerante arter ved at overføre gener fra marine planter (halophytes) til korn og grøntsagsafgrøder.

På samme måde er et gen, som koder for et protein fra en flounderfisk, blevet transformeret til planter for at beskytte dem mod fryseskader. Dette protein kan være nyttigt til forebyggelse af frostskader i opbevaring efter høst. Således kan frysning bruges til at bevare tekstur og smag af nogle frugter og grøntsager, som i øjeblikket ikke er egnet til frysning.

Udvikling af kvælstoffastgørelseskapacitet i ikke-leguminøse afgrøder:

Mens anvendelsen af ​​kvælstofgødning har vist sig at være en effektiv vej til forbedring af afgrødeudbyttet, er det fortsat et dyrt forslag. Alternativet er at tilvejebringe en naturlig nitrogenkilde i anlægget. Indførelse af nitrogenbestemmende mikroorganismer kan gøre dette.

Sådanne mikroorganismer er i stand til at fastsætte atmosfærisk nitrogen i nærværelse af nitrogenfiksionsbakterier Rhizobium. Transformering af kvælstoffastgørelsesgenerne (nif-gener) fra bælgfrugter til ikke-bælgfrugter kan tilbyde et omkostningseffektivt alternativ til de dyre gødninger.

Imidlertid kan andre måder at forbedre nitrogenudbyttet i planter opnås ved at øge effektiviteten af ​​fikseringsprocessen i symbiotiske bakterier, øge effektiviteten af ​​fikseringsprocessen i de syntetiske bakterier, modificere nitrogenfastgørelsesbakterierne for at opretholde kvælstoffiksering i nærvær af eksogene nitrogen.

Cytoplasmisk mandlig sterilitet :

En masse forskning har været at forklare mekanismen for Cytoplasmic Male Sterility (CMS). Dette træk resulterer i produktion af ikke-funktionel pollen i modne plantearter som sorghum, majs og sukkerroer og dermed letter genereringen af ​​værdifulde højtydende hybridfrø.

Cytoplasmisk hansterilitet i disse plantearter er i grunden forbundet med omorganiseringen af ​​mitokondrie-DNA og syntese af nye polypeptider. De hurtigt udviklende bioteknologiske værktøjer kan til sidst muliggøre overførsel af CMS-træk til mandlige frugtbare linjer. Genetisk manipuleret hansterilitet har også et stort potentiale for generation af hybrider i landbruget.

Planteudvikling :

Udvikling af en plante er en kompleks proces, som involverer lysreceptorernes rolle som fytochrom, chloroplast-genekspression, mitokondrie-genekspression i forhold til hansterilitet, opsamling af oplagringsprodukter og oplagringsorganer (frugt).

Det er nu muligt at klone og sekvensere forskellige gener ansvarlige for planteudvikling. Dette har øget muligheden for at manipulere ekspressionen af ​​disse gener og derefter processen i hvilken de er involveret. For eksempel er der rapporteret om tidlige blomstringsgener for at ændre egenskaberne for sen-modningsvarianterne.

Isoleringen af ​​specifikke promotorelementer har også bidraget til at designe afgrøder, som udtrykker proteiner i specifikke væv. Gener, der er ansvarlige for farvedannelse, kan overføres til planter, der bærer farveløse blomster. Derudover kan manipulation af gener, der styrer blomstrende og pollendannelse, generere transgene planter med ændret fertilitet. Ekspression af bladagtigt og APETALAI-gen i Arabidopsis har resulteret i forstadig blomstring.

På samme måde påvirker de formodede hormonreceptorer i planter forskellige følsomheders følsomhed over for vækstregulatorer og deres efterfølgende differentiering og udvikling. Indførelsen af ​​vildtype eller modificerede gener til specifikke vækstregulatorer har vist sig at være effektiv til at manipulere planteudvikling (som forandring af modenhedstiden eller antal og størrelse af kartoffelknolde). Denne fremgangsmåde kan anvendes til at modificere blomstringsrespons, frugtudvikling og ekspression af lagringsproteingener.

Nyttige proteiner fra planter :

Mange planter bruges nu til at producere nyttige proteiner. Dette har født Neutraceuticals - et ord coined for færdigretter. Disse fødevarer er også kendt som funktionelle fødevarer. Neutraceuticals omfatter alle "designer" fødevarer fra vitamin beriget morgenmadsprodukter til Benecol, et margarine spredning, der rent faktisk sænker LDL kolesterol. Et førende amerikansk selskab, Novartis Consumer Health, estimerer det amerikanske marked for funktionelle fødevarer på omkring ti milliarder dollars, med en forventet årlig vækstrate på ti procent.

Vaccineproduktion fra planter :

Planter er en rig kilde til antigener til immunisering af dyr. Transgene planter kan udvikles til at fremstille antigeniske proteiner eller andre molekyler. Produktion af antigenet i en spiselig del af planten kunne vise sig at være en nem og effektiv måde til afgivelsessystem for antigenet i en spiselig del af planten kunne vise sig at være en nem og effektiv form for afgivelsessystem for antigenet.

Potentielle anvendelser af denne teknologi vil omfatte effektiv immunisering af mennesker og dyr mod sygdom og bekæmpelse af dyre skadedyr. For eksempel er antigener til hepatitis B-viruset med succes blevet udtrykt i tobaksplanter og anvendt til at immunisere mus. Mus fodret kartofler, der udtrykker P-underenheden af ​​E. coli enterotoxin LT-B, har også produceret antistoffer og således beskytter mod bakterielt toksin.

Denne teknik lover at bane vejen for billig immunisering mod flere menneskelige sygdomme. Orale vacciner mod kolera er allerede blevet udtrykt i planter. Generering af antigener gennem planter er ikke kun omkostningseffektiv, men kan også masseproduceres og let genoprettes.