Ulike applikasjoner av plantebioteknologi

Anvendelser av plantebioteknologi!

Geneteknikk av planter gir en mulighet til å endre sine egenskaper eller ytelse for å forbedre deres brukbarhet. Slike teknologier kan brukes til å modifisere uttrykket av gener allerede tilstede i plantene, eller å introdusere nye gener av andre arter som planten ikke kan avles konvensjonelt. Dermed gir det større effektivitet til oppfyllelsen av konvensjonelle avlsmessige formål.

En av de vesentlige anvendelser av slike teknikker ligger i å legge til enkeltgener til ønskelige plantetyper. Plantetransformasjon kan brukes til å introdusere nye eller nye egenskaper som skaper et nytt marked eller forflytter konvensjonelle produkter. Forbedringen kan forholde seg til plantens næringsverdi eller funksjonelle egenskaper ved behandling eller til og med forbruk i seg selv.

Fremfor alt utvider denne teknologien mulighetene for å overføre gener mellom ikke-relaterte organismer, og danner dermed ny genetisk informasjon ved spesifikk endring av klonede gener. La oss diskutere konsekvensene av denne teknologien mer detaljert.

Matkvalitet:

Ernæringsmessig kvalitet :

Frøplanter spiller en viktig rolle i menneskelig og dyreernæring. Bare noen få korn bidrar til nesten femti prosent av de totale matkaloriene. På samme måte står syv arter av kornplantebær for en stor del av kaloriinntaket.

Imidlertid inneholder korn og belgfrukter visse proteiner som mangler aminosyrer som lysin og treonin. Legumes er også mangelfull i svovelaminosyrer. Noen andre frøavlinger som ris gir en bedre balanse mellom aminosyrer, men faller ut på deres totale proteinnivå.

Felles logikk følger at hver av disse matvarene kunne bli katapultert til perfeksjon hvis manglene deres kunne bli overvunnet ved å låne de manglende egenskapene fra andre avlinger. Det er akkurat hva plantebioteknologi gjør - overføringen av enkelt- eller flere gener til planter som mangler viktige komponenter.

Nylig utviklet professor Ingo Potrykus ved det sveitsiske føderale institutt for teknologi (Zürich) og dr. Peter Beyer fra universitetet i Freiburg (Tyskland) "Golden Rice", som har større nivåer av vitamin A eller b-karoten.

Denne modifiserte risen forventes å gi ernæringsmessige fordeler til de som lider av vitamin A-mangelrelaterte sykdommer, inkludert irreversibel blindhet i hundretusenvis av barn årlig. Tilstrekkelig vitamin A-innhold kan også redusere dødeligheten forbundet med smittsomme sykdommer som diaré og barndomsmaslinger ved å øke aktiviteten til det menneskelige immunsystemet.

Genetiske verktøy kan brukes til å endre karbohydrat, fett, fiber og vitamininnhold i mat. En annen nyttig applikasjon er å plukke opp gener fra proteinrike kornblandinger og overføre dem til mat med lav protein. Faktisk ble et lignende eksperiment utført på Jawaharlal Nehru-universitetet i New Delhi, hvor forskere overførte et gen fra amaranth (Chaulai) til en potet. Potetet registrerte en økning ikke bare i proteininnholdet, men også i sin størrelse.

Transgene verktøy brukes også til å forbedre næringsverdien av avlinger ved å redusere deres anti-næringsfaktorer (som proteasehemmere og hemaglutininer i belgfrukter). Problemer forbundet med flatulens i visse matvarer kan også håndteres ved å manipulere diettfibre og oligosakkaridinnhold.

Biotekniske applikasjoner er ekstremt nyttige i tilfelle av hvete også. Kvaliteten på hvete er bestemt av nærvær av frø-lagringsproteiner av kornet. Dermed kan kvaliteten forbedres ved å manipulere nærværet av disse proteinene. Flere glutenproteiner kan også tilsettes for å gi forbedret elastisitet til deig. Videre kan stivelsesinnholdet av hvete bli endret for å passe til egenskapene til produkter som nudler.

Funksjonell kvalitet:

Transformasjon kan brukes på frukt og grønnsaker for å forbedre smaken og tekstur ved å manipulere deres modningsprosess. Utførelsen av planteprodukter under behandlingen kan også forbedres ved genteknologi. For eksempel, den første genetisk konstruerte maten, ble Flavr-Savr-tomat genetisk manipulert for å bremse modningen, og har en lengre holdbarhetstid (Fig. 2).

En annen felles strategi for å kontrollere modning er å bremse produksjonen av modningshormonetylen. Etylen fremstilles fra S-adenosylmetionin ved omdannelse til 1-amino-cyklopropan-1-karboksylsyre (ACC) i nærvær av ACC Synthase, etterfulgt av generering av etylen av et ACC-oksydase eller etylendannende enzym.

Modning kan bli forsinket ved å dirigere antisense-konstruksjoner mot et av disse enzymene, eller ved å fjerne ACC med en ACC-deaminase. Frukt kan deretter modnes etter behov ved eksponering for en kunstig kilde for etylen.

Malting og brygging:

Ølproduksjonen innebærer spiring av bygg under kontrollerte forhold. Kvaliteten på øl er i stor grad avhengig av sammensetningen av kornkorn. Mange kvaliteter av disse kornene kan forbedres vesentlig ved genteknologi. For eksempel kan forbedring av stabiliteten av byggenzymene (spesielt ved høye temperaturer) forbedre dens effektivitet ved temperaturen som brukes under mashing. Smaken av øl kan også manipuleres ved å genetisk behandle bygget. En slik teknikk er det å redusere nivåene av lipo-oxygenase.

Lagring Karbohydrater:

Øke nivåene av visse enzymer som ADP pyrofosforylase kan forbedre stivelsessyntesen av matvarer. Dette kan forbedre utbyttet av stivelsesholdige matvarer. Transformasjon kan også endre egenskapene til plantestivelse. Andelen amylase og amylopektin i stivelse og kvalitet kan også reguleres. Dette vil gjøre det mulig å skreddersy stivelsen til å oppfylle krav til spesifikke matvarer eller industriprodukter.

Transgene planter med økte nivåer av fruktaner (en form for glukose) produseres allerede ved bruk av en levansukras fra bakterier. Sukroseinnholdet i planter kan også manipuleres for å forbedre kvaliteten på sukkeravlinger som sukkerrør og sukkerroer.

Sykdomsbestandighet:

Insektmotstand:

Genetikk har vist seg å være en velsignelse for å produsere skadedyrsbestandige planter. Denne teknologien har overvunnet manglene ved bruk av kjemiske plantevernmidler. For sent har teknikken for å introdusere sykdomsresistente gener i plantearter også fått enorm popularitet.

For eksempel kan proteaseinhibitorer forhindre fordøyelsen av proteiner med insekter, og dermed redusere vekstraten. Overføringen av slike proteiner til plantene virker som en naturlig beskyttelsesmekanisme mot insektangrep.

Visse bakterielle gener har også vist seg å være ganske effektive for å forebygge skadedyr. Bacillus thuringiensis (Bt) produserer Bt-toksin, som er effektiv mot insektslarver. Transgene planter som har Bt-gener, er produsert i avlinger som soya, mais og bomull, og har vist seg å være resistente mot skadeangrep.

Mange andre serokjemikalier (kjemikalier som endrer insektadferd) er produsert av visse insekter og plantearter. Overføring av disse til andre planter kan være svært effektiv ved kontroll av sykdomsinnfall. For å ta et annet eksempel inneholder ikke den mottakelige potetavlingen ikke-fôringsmidler som farnase, terpenoid og andre relaterte forbindelser.

Disse er produsert av bladlus resistente plantearter som Solanum Berthaultii (i bladhår). Disse forbindelsene virker ved å fremkalle et angrepssrespons i bladlus, slik at de ikke klarer å etablere seg på avlingen. Overføring av disse genene til potetavlingen kan beskytte den mot aphid trussel.

Virusmotstand:

Produksjon av transgene planter med motstand mot virus er en av de mest vellykkede anvendelsene av plantetransformasjon. Flere strategier som involverer uttrykket av virusgenomet i planten har vist seg å være effektive. Eksempelvis har uttrykket av frakkprotein-gen fra virus vært meget vellykket. Både fornuft og antisensuttrykk av deler av virusgenomet kan være beskyttende mot virusinfeksjon.

Nematode Resistance:

Nye gener for nematodebestandighet gir en alternativ tilnærming til produksjon av nematodebestandige planter. Genetikk gir muligheten til å utvikle transgene planter med genetisk motstand mot disse langsiktige planteskade skadedyrene, og dermed redusere avhengigheten av kjemiske nematicider i landbruket.

Herbicidresistens :

Valget av et herbicid er svært kritisk da det har stor risiko for å indusere resistens. Ugress kan raskt utvikle flere herbicidresistens i enkelte systemer når flere klasser av herbicid virker på det samme molekylære målet. Her igjen gir herbicidresistensgener beskyttelse ved å avgifte herbicidet (konvertere det til en inaktiv form).

Forbedre fotosyntetisk effektivitet:

Prosessen med fotosyntese er den viktigste mekanismen for å legge energi til plantene. Imidlertid kan selv de mest effektive plantene kun utnytte omtrent tre til fire prosent av fullt sollys. Bioteknologi brukes nå til å forbedre nivået av fotosyntetisk effektivitet av RuBPCase (Ribulose bis-fosfatkarboxylase, involvert i karbondioksidfiksering).

Dette forbedrer effektiviteten av katalyse og reduserer den konkurrerende oksygenfunksjonen (som RuBP-tilfelle oppfører seg også som en oksygenase). Nyttige varianter kan også produseres ved å kombinere gener som koder for store og små underenheter av enzymer fra forskjellige arter.

To forskjellige måter å gjøre dette på er:

Abiotisk Stress Toleranse:

Planteproduktiviteten lider store tap på grunn av ulike former for stress i løpet av utviklingen. Disse stressfaktorene inkluderer temperatur, saltholdighet, tørke, flom, UV-lys og ulike infeksjoner. Selv om molekylære grunnlaget for slike svar ikke er klart, vet vi at de inkluderer de novo-syntese av bestemte proteiner (under temperaturstøt) og enzymer (alkoholdehydrogenase under anaerobiosis og fenylalaninaminase under UV-bestråling).

Generene som reagerer på abiotisk stress er blitt klonet og sekvensert i mange laboratorier, inkludert forfatterne som identifiserte og transformerte et gen som koder for glyoksalase 1 for å gi toleranse til planter.

Reguleringssekvensene til noen av gener har også blitt identifisert. For eksempel har 5'-promotorsekvensen av alkohol dehydrogenase blitt koblet til CAT-reporteren (Chloremphenicol Acetyl Transferase) -genet og overført til tobaksprotoplaster hvor O2-følsomt uttrykk har blitt vist.

Slike miljøfremkallende promotorer vil sikkert bli nyttige verktøy for å studere genuttrykk, og dette arbeidet legger grunnlaget for overføring av stress-responsive gener under regulerte promotorer til mottakelige arter. Nylig er tomatplanter som er resistente mot saltholdighet, utviklet.

Gener fra forskjellige organismer som marine ressurser kan også brukes til å forbedre plantene på ulike måter. Dette er et innovativt skritt mot utvikling av salttolerante arter, ved å overføre gener fra marine planter (halophytes) til korn og grønnsaker.

På samme måte er et gen som koder for et protein fra en flomfisk, blitt transformert til planter for å beskytte dem mot fryseskader. Dette proteinet kan være nyttig for å forhindre frostskader i lagring etter opphøsting. Dermed kan frysing brukes til å bevare teksturen og smaken av noen frukter og grønnsaker, som for tiden ikke er egnet for frysing.

Utvikling av nitrogenfikseringskapasitet i ikke-leguminøse avlinger:

Selv om anvendelsen av nitrogenholdig gjødsel har vist seg å være en effektiv rute for å forbedre avkastningen, fortsetter det å være et dyrt forslag. Alternativet er å gi en naturlig nitrogenkilde i anlegget. Innføring av nitrogen-fikserende mikroorganismer kan gjøre dette.

Slike mikroorganismer er i stand til å fikse atmosfærisk nitrogen i nærvær av nitrogenfiksjonsbakterier Rhizobium. Transformering av nitrogenfiksjonsgenene (nif-gener) fra bælgfett til ikke-bælgfroe kan gi et kostnadseffektivt alternativ til de dyre gjødselene.

Imidlertid kan andre måter å forbedre nitrogenutbyttet i planter oppnås ved å øke effektiviteten av fikseringsprosessen i symbiotiske bakterier, øke effektiviteten av fikseringsprosessen i de syntetiske bakterier, modifisere nitrogenfastgjørende bakterier for å opprettholde nitrogenfiksering i nærvær av eksogene nitrogen.

Cytoplasmisk mannlig sterilitet :

Mye forskning har gått inn i å forklare mekanismen for cytoplasmisk mannlig sterilitet (CMS). Denne egenskapen resulterer i produksjon av ikke-funksjonell pollen i modne plantearter som sorghum, mais og sukkerroer, og dermed letter genereringen av verdifullt høyt utbytte hybridfrø.

Cytoplasmisk mannlig sterilitet i disse planteartene er i utgangspunktet forbundet med omorganiseringen av mitokondrialt DNA og syntesen av nye polypeptider. De raskt utviklende bioteknologiske verktøyene kan etter hvert muliggjøre overføring av CMS-egenskapen til mannlige friske linjer. Genetisk manipulert mannlig sterilitet har også et stort potensial for generering av hybrider i landbruket.

Planteutvikling :

Utvikling av en plante er en kompleks prosess, som involverer rollen av lette reseptorer som fytokrom, chloroplast-genuttrykk, mitokondrielle genuttrykk i forhold til mannlig sterilitet, oppsamling av lagringsprodukt og lagringsorgans (frukt) utvikling.

Det er nå mulig å klone og sekvensere ulike gener ansvarlig for planteutvikling. Dette har økt muligheten til å manipulere uttrykket av disse gener, og deretter prosessen der de er involvert. Tidligere blomstrende gener har for eksempel blitt rapportert for å endre egenskapene til sen-modne varianter.

Isoleringen av spesifikke promotorelementer har også bidratt til å utvikle avlinger som uttrykker proteiner i spesifikke vev. Gener som er ansvarlig for fargedannelse, kan overføres til planter som bærer fargeløse blomster. Dessuten kan manipulering av gener som kontrollerer blomstring og pollendannelse generere transgene planter med forandret fruktbarhet. Ekspresjon av løvaktige og APETALAI-gen i Arabidopsis har resultert i forgjengelig blomstring.

På samme måte påvirker de formodede hormonreceptorene i plantene følsomheten til forskjellige vev til vekstregulatorer og deres påfølgende differensiering og utvikling. Innføringen av villtype eller modifiserte gener for bestemte vekstregulatorer har vist seg å være effektiv til å manipulere planteutvikling (som forandring av forfallstid eller antall og størrelse på potetknollene). Denne tilnærmingen kan anvendes for å modifisere blomstringsrespons, fruktutvikling og ekspresjon av lagringsproteingener.

Nyttige proteiner fra planter :

Mange planter blir nå brukt til å produsere nyttige proteiner. Dette har gitt Neutraceuticals fødsel - et ord laget for laget mat. Disse matene er også kjent som funksjonelle matvarer. Neutraceuticals inkluderer alle "designer" matvarer fra vitamin-beriket frokostblandinger til Benecol, et margarinspredning som faktisk senker LDL-kolesterolet. Et ledende amerikansk selskap, Novartis Consumer Health, anslår det amerikanske markedet for funksjonell mat på rundt ti milliarder dollar, med en forventet årlig vekst på ti prosent.

Vaksineproduksjon fra planter :

Planter er en rik kilde til antigener for immunisering av dyr. Transgene planter kan utvikles for å produsere antigenproteiner eller andre molekyler. Produksjon av antigenet i en spiselig del av planten kan vise seg å være en enkel og effektiv måte for leveringssystemet for antigenet i en spiselig del av planten kunne vise seg å være en enkel og effektiv måte for leveringssystemet for antigenet.

Potensielle bruksområder av denne teknologien vil inkludere effektiv immunisering av mennesker og dyr mot sykdom og bekjempelse av skadedyr. For eksempel har antigener for hepatitt B-viruset blitt uttrykt med suksess i tobakksplanter og brukt til å immunisere mus. Mus matet poteter som uttrykker P-underenheten av E. coli enterotoxin LT-B har også produsert antistoffer, og dermed beskytter mot bakterietoksinet.

Denne teknikken lover å bane vei for billig immunisering mot flere menneskelige sykdommer. Orale vaksiner mot kolera har allerede blitt uttrykt i planter. Generering av antigener gjennom planter er ikke bare kostnadseffektiv, men kan også bli masseprodusert og enkelt gjenopprettet.