Įvairios augalų biotechnologijos programos

Augalų biotechnologijos taikymas!

Genetiška augalų inžinerija suteikia galimybę keisti jų savybes ar veikimą, kad pagerėtų jų naudingumas. Tokia technologija gali būti naudojama modifikuoti augaluose jau esančių genų ekspresiją arba įdiegti kitų rūšių genus, su kuriais augalas negali būti tradiciškai auginamas. Taigi, jis suteikia didesnį efektyvumą tradicinių veisimo tikslų įgyvendinimui.

Vienas iš svarbiausių tokių metodų taikymo būdų yra atskirų genų pridėjimas prie pageidaujamų augalų tipų. Augalų transformaciją galima panaudoti naujoms ar naujoms savybėms, kurios sukuria naują rinką arba išstumia tradicinius produktus. Patobulinimas gali būti susijęs su augalų maistine verte arba perdirbimo funkcinėmis savybėmis arba netgi vartojimu.

Svarbiausia, ši technologija praplečia galimybes perkelti genus tarp nesusijusių organizmų ir taip sukuria naują genetinę informaciją, specifiškai keičiant klonuotus genus. Aptarkime išsamesnės šios technologijos pasekmes.

Maisto kokybė:

Mitybos kokybė :

Sėklos yra svarbios žmonių ir gyvūnų mitybai. Tik keletas grūdų sudaro beveik penkiasdešimt procentų visų maisto kalorijų. Panašiai septynios grūdų ankštinių žuvų rūšys sudaro didelę mūsų kalorijų suvartojimo dalį.

Tačiau grūduose ir ankštiniuose augaluose yra tam tikrų baltymų, kurių trūksta aminorūgščių, tokių kaip lizinas ir treoninas. Be to, ankštiniai rūgštys yra nepakankamos. Kai kurie kiti sėkliniai augalai, pvz., Ryžiai, suteikia geresnę aminorūgščių pusiausvyrą, tačiau jų bendras baltymų kiekis yra mažesnis.

Bendra logika išplaukia, kad kiekvienas iš šių maisto produktų gali būti sugrupuotas iki tobulumo, jei jų trūkumus būtų galima įveikti skolinantis tuos trūkstamus bruožus iš kitų kultūrų. Būtent tai yra augalų biotechnologijos - vieno ar kelių genų perdavimas augalams, neturintiems svarbių komponentų.

Neseniai profesorius Ingo Potrykus Šveicarijos federaliniame technologijos institute (Ciurichas) ir dr. Peter Beyer iš Freiburgo universiteto (Vokietija) sukūrė „Auksinį ryžių“, kuriame yra didesnis vitamino A arba b-karotino kiekis.

Tikimasi, kad šie modifikuoti ryžiai suteiks maistinę naudą tiems, kurie serga A vitamino trūkumo ligomis, įskaitant negrįžtamą aklumą šimtams tūkstančių vaikų kasmet. Tinkamas vitamino A kiekis taip pat gali sumažinti mirtingumą, susijusį su infekcinėmis ligomis, pvz., Viduriavimu ir vaikų tymų, stiprinant žmogaus imuninės sistemos aktyvumą.

Genetiniai įrankiai gali būti naudojami angliavandenių, riebalų, pluošto ir vitaminų kiekiui maisto produktuose pakeisti. Kitas naudingas taikymas yra genų išėmimas iš baltymų turinčių grūdų ir jų perkėlimas į maistą baltymus. Iš tiesų, panašus eksperimentas buvo atliktas Naujosios Delis Jawaharlal Nehru universitete, kur mokslininkai perdavė geną iš amaranto (Chaulai) į bulvę. Bulvės užregistravo ne tik baltymų kiekį, bet ir jo dydį.

Transgeniniai įrankiai taip pat naudojami norint pagerinti augalų maistinę vertę mažinant jų maistinius veiksnius (pvz., Proteazių inhibitorius ir hemaglutininus ankštiniuose augaluose). Problemos, susijusios su viduriavimu tam tikruose maisto produktuose, taip pat gali būti sprendžiamos manipuliuojant mitybos pluoštu ir oligosacharido kiekiu.

Biotechnologiniai pritaikymai yra labai naudingi ir kviečių atveju. Kviečių kokybę lemia grūdų sėklų laikymo baltymai. Taigi, jos kokybė gali būti pagerinta manipuliuojant šių baltymų buvimu. Taip pat galima pridėti daugiau glitimo baltymų, kad būtų užtikrintas didesnis tešlos elastingumas. Be to, kviečių krakmolo kiekis gali būti pakeistas, kad atitiktų tokius produktus kaip makaronai.

Funkcinė kokybė:

Transformacija gali būti taikoma vaisiams ir daržovėms, siekiant pagerinti jų skonį ir tekstūrą manipuliuojant jų brandinimo procesu. Augalų produktų veikimą jų apdorojimo metu taip pat galima pagerinti naudojant genų inžineriją. Pavyzdžiui, pirmasis genetiškai modifikuotas maistas, „Flavr-Savr“ pomidoras buvo genetiškai manipuliuojamas, siekiant sulėtinti jo brandinimą, ir ilgesnis jų galiojimo laikas (2 pav.).

Kita bendra brandinimo kontrolės strategija yra sumažinti brandinimo hormono etileno gamybą. Etilenas gaminamas iš S-adenozilmetionino, konvertuojant į 1-amino-ciklopropan-1-karboksirūgštį (ACC), dalyvaujant ACC Synthase, po to etileno susidarymą ACC oksidazės arba etileno formavimo fermentu.

Brandinimas gali būti atidėtas nukreipiant antisenso konstrukcijas prieš bet kurį iš šių fermentų arba pašalinant ACC su ACC deaminaze. Vaisiai gali būti brandinami, kaip reikalaujama dirbtiniu etileno šaltiniu.

Salyklas ir alus:

Alaus gamyba apima miežių daigumą kontroliuojamomis sąlygomis. Taigi alaus kokybė labai priklauso nuo miežių grūdų sudėties. Daugelis šių grūdų savybių gali būti žymiai pagerintos naudojant genetinę inžineriją. Pavyzdžiui, miežių fermentų stabilumo gerinimas (ypač esant aukštai temperatūrai) gali padidinti jo efektyvumą esant masingui. Alaus skonį taip pat galima manipuliuoti genetiškai apdorojant miežius. Vienas iš tokių metodų yra lipo-oksigenazės kiekio mažinimas.

Sandėliavimas Angliavandeniai:

Didinant tam tikrų fermentų, pvz., ADP pirofosforilazės, kiekį gali sustiprėti maisto produktų krakmolo sintezė. Tai gali pagerinti krakmolingų maisto produktų derlių. Transformacija taip pat gali pakeisti augalų krakmolo savybes. Taip pat galima reguliuoti amilazės ir amilopektino kiekį krakmole ir kokybę. Tai leistų pritaikyti krakmolą, kad atitiktų konkrečių maisto produktų ar pramonės produktų reikalavimus.

Transgeniniai augalai, kuriuose yra padidėjęs fruktozių kiekis (gliukozės forma), jau gaminami naudojant bakterijų levansukrazę. Sacharozės kiekis augaluose taip pat gali būti manipuliuojamas siekiant pagerinti cukrinių kultūrų, pvz., Cukranendrių ir cukrinių runkelių, kokybę.

Atsparumas ligoms:

Vabzdžių atsparumas:

Genetinė inžinerija pasirodė esanti palaima gaminant kenkėjams atsparius augalus. Ši technologija įveikė cheminių pesticidų naudojimo trūkumus. Vėliau ligos atsparių genų įvedimo į augalų rūšis metodas taip pat įgijo didžiulį populiarumą.

Pavyzdžiui, proteazių inhibitoriai gali užkirsti kelią baltymų virškinimui vabzdžiais, todėl sulėtinti jų augimo greitį. Tokių baltymų perkėlimas į augalus veikia kaip natūralus apsaugos nuo vabzdžių apsaugos mechanizmas.

Kai kurie bakteriniai genai taip pat pasirodė gana veiksmingi užkertant kelią kenkėjams. Bacillus thuringiensis (Bt) gamina Bt Toxin, kuris yra veiksmingas nuo vabzdžių lervų. Transgeniniai augalai, turintys Bt genus, buvo gaminami tokiuose augaluose, kaip sojos pupelės, kukurūzai ir medvilnė, ir pasirodė atsparūs kenkėjams.

Daugelis kitų serocheminių medžiagų (cheminių medžiagų, kurios keičia vabzdžių elgesį) gaminamos tam tikrų vabzdžių ir augalų rūšių. Šių medžiagų perkėlimas į kitus augalus gali būti labai veiksmingas tikrinant ligų paplitimą. Kitas pavyzdys - jautriems bulvių derliaus sudėtyje nėra anti-feedant cheminių medžiagų, tokių kaip farnazė, terpenoidas ir kiti susiję junginiai.

Tai gamina lapų atsparios augalų rūšys, tokios kaip Solanum berthaultii (lapų plaukuose). Šie junginiai sukelia reakciją į amarus, kad jie negalėtų įsitvirtinti ant pasėlių. Šių genų perkėlimas į bulvių pasėlius gali apsaugoti jį nuo amarų grėsmės.

Virusų atsparumas:

Transgeninių augalų, turinčių atsparumą virusams, gamyba yra viena iš sėkmingiausių augalų transformacijos programų. Keletas strategijų, susijusių su viruso genomo ekspresija augale, yra veiksmingos. Pavyzdžiui, viruso kailio baltymo geno ekspresija buvo labai sėkminga. Ir viruso genomo dalių jutimo, ir antisenso ekspresija gali būti apsauganti nuo virusinės infekcijos.

Nematodo atsparumas:

Nauji nematodų atsparumo genai suteikia alternatyvų nematodams atsparių augalų gamybai. Genetinė inžinerija suteikia galimybę sukurti genetiškai atsparius genetiškus augalus šiems ilgalaikiams augalų kenkėjams ir taip mažinti priklausomybę nuo cheminių nematididų žemės ūkyje.

Atsparumas herbicidams :

Herbicido pasirinkimas yra labai svarbus, nes jis kelia didelį atsparumo sukėlimo pavojų. Kai kuriose sistemose, kai kelios herbicidų klasės veikia pagal tą patį molekulinį tikslą, piktžolės gali greitai išsiskirti daugeliu herbicidų. Vėlgi, herbicidų atsparumo genai suteikia apsaugą, detoksikuojant herbicidą (paverčiant jį neaktyvia forma).

Fotosintezės efektyvumo didinimas:

Fotosintezės procesas yra pats svarbiausias mechanizmas energijos papildymui augalams. Tačiau net ir efektyviausi augalai gali naudoti tik apie 3–4 proc. Visos saulės šviesos. Šiuo metu biotechnologija naudojama siekiant pagerinti RuBPCase (ribulozės bis fosfato karboksilazės, dalyvaujančios anglies dioksido fiksavime) fotosintezės efektyvumą.

Tai padidina katalizės efektyvumą ir sumažina konkurencinį oksigenazės funkciją (kaip RuBP Case taip pat veikia kaip oksigenazė). Naudingi variantai taip pat gali būti gaminami derinant genus, koduojančius didelius ir mažus skirtingų rūšių fermentų subvienetus.

Du skirtingi būdai tai padaryti:

Abiotinė streso tolerancija:

Augalų produktyvumas patiria didelių nuostolių dėl įvairių formų streso vystymosi metu. Šie veiksniai yra temperatūra, druskingumas, sausra, potvyniai, UV šviesa ir įvairios infekcijos. Nors tokių atsakymų molekulinė bazė dar nėra aiški, žinome, kad jie apima de novo specifinių baltymų sintezę (esant temperatūros šokui) ir fermentus (alkoholio dehidrogenazę anaerobioze ir fenil alanino amino liazę UV spinduliuotėje).

Genai, reaguojantys į abiotinį stresą, buvo klonuoti ir sekvenuoti daugelyje laboratorijų, įskaitant autorių, kurie nustatė ir transformavo glioksalazę 1 koduojantį geną, kad suteiktų augalų toleranciją.

Taip pat buvo nustatytos kai kurių genų reguliavimo sekos. Pavyzdžiui, alkoholio dehyhrogenazės 5'-promotoriaus seka buvo susieta su CAT reporteriu (chlorempenikolio acetil-transferazės) genu ir perkelta į tabako protoplastus, kuriuose buvo įrodyta, kad O2 yra jautri.

Tokie aplinką sukeliantys promotoriai tikrai taps naudingais įrankiais geno ekspresijos tyrimui, ir šis darbas bus pagrindas įtampai jautrių genų perdavimui reguliuojamiems promotoriams į imlių rūšių organizmus. Pastaruoju metu buvo sukurtas druskingumui atsparus pomidorų augalas.

Įvairių organizmų, pvz., Jūrų išteklių, genai taip pat gali būti naudojami įvairiems augalams pagerinti. Tai novatoriškas žingsnis kuriant druskos toleruojančias rūšis, perkeliant genus iš jūrų augalų (halofitų) į grūdų ir daržovių augalus.

Panašiai genas, kuris koduoja baltymą iš plekšnės žuvies, buvo transformuotas į augalus, siekiant apsaugoti juos nuo užšalimo. Šis baltymas gali būti naudingas užkertant kelią šalčiui nuo sandėliavimo po derliaus nuėmimo. Taigi šaldymas gali būti naudojamas tam tikrų vaisių ir daržovių, kurie šiuo metu netinka šaldymui, tekstūros ir skonio išsaugojimui.

Azoto fiksavimo pajėgumo plėtra ne ankštiniuose augaluose:

Nors azoto trąšų naudojimas pasirodė esąs veiksmingas būdas pagerinti pasėlių derlių, jis tebėra brangus pasiūlymas. Alternatyva yra gamykloje sukurti natūralų azoto šaltinį. Tai gali padaryti įvedant azoto fiksavimo mikroorganizmus.

Tokie mikroorganizmai gali surinkti atmosferos azotą, esant azoto fiksavimo bakterijoms Rhizobium. Azoto fiksavimo genų (nif genų) transformavimas iš ankštinių augalų į ne ankštines kultūras gali būti ekonomiškai efektyvi alternatyva brangiems trąšoms.

Tačiau kitų būdų, kaip pagerinti azoto išeigą augaluose, galima pasiekti didinant fiksavimo proceso efektyvumą simbiotinėse bakterijose, didinant sintetinių bakterijų fiksavimo proceso efektyvumą, modifikuojant azoto fiksavimo bakterijas išlaikant azoto fiksaciją esant eksogeniniam azoto.

Citoplazminis vyrų sterilumas :

Buvo atlikta daug mokslinių tyrimų, paaiškinančių citoplazminio vyriškojo sterilumo (CMS) mechanizmą. Šis bruožas lemia nefunkcinių žiedadulkių gamybą brandžiose augalų rūšyse, pvz., Sorgoje, kukurūzuose ir cukriniuose runkeliuose, ir taip palengvina vertingų aukštos kokybės hibridinių sėklų gamybą.

Šių augalų rūšių citoplazminis vyrų sterilumas iš esmės susijęs su mitochondrijų DNR reorganizavimu ir naujų polipeptidų sinteze. Sparčiai besivystančios biotechnologinės priemonės galiausiai gali leisti perduoti CMS bruožą vyriškoms vaisingoms linijoms. Genetiškai modifikuotas vyriškasis sterilumas taip pat turi didelį hibridų gamybos potencialą žemės ūkyje.

Augalų plėtra :

Augalų plėtra yra sudėtingas procesas, kuris apima šviesos receptorių, pvz., Fitochromo, chloroplasto geno ekspresijos, mitochondrijų genų ekspresijos, vaidmenį vyriškojo sterilumo, sandėliavimo produkto kaupimo ir saugojimo organų (vaisių) vystyme.

Dabar galima klonuoti ir sekti įvairius genus, atsakingus už augalų vystymąsi. Tai padidino galimybę manipuliuoti šių genų ekspresija ir vėliau procesu, kuriame jie dalyvauja. Pavyzdžiui, buvo pranešta, kad ankstyvieji žydėjimo genai keičia vėlyvojo brandinimo veislių savybes.

Konkrečių promotoriaus elementų išskyrimas taip pat padėjo kurti augalus, išreiškiančius baltymus specifiniuose audiniuose. Už spalvų susidarymą atsakingi genai gali būti perkelti į augalus, turinčius bespalvių gėlių. Be to, manipuliavimas žydėjimo ir žiedadulkių formavimu kontroliuojamais genais gali sukelti transgeninius augalus, turinčius pakitusią vaisingumą. Lapinių ir APETALAI geno ekspresija Arabidopsyje lėmė ankstyvą žydėjimą.

Panašiai tariami hormonų receptoriai augaluose įtakoja skirtingų audinių jautrumą augimo reguliatoriams ir jų vėlesnį diferenciaciją bei vystymąsi. Laukinių tipų arba modifikuotų genų įvedimas konkretiems augimo reguliatoriams yra veiksmingas manipuliuojant augalų vystymuisi (pvz., Pakeitus brandos laiką arba bulvių gumbų skaičių ir dydį). Šis metodas gali būti taikomas keičiant žydėjimo atsaką, vaisių vystymąsi ir saugojimo baltymų genų ekspresiją.

Naudingi augalai :

Dabar daug augalų yra naudojami naudingų baltymų gamybai. Tai pagimdė Neutraceuticals - žodis, sukurtas gaminti maistą. Šie maisto produktai taip pat žinomi kaip funkciniai maisto produktai. Neutraliniai preparatai apima visus „dizainerių“ maisto produktus, pagamintus iš vitamino praturtintų pusryčių grūdų iki Benecol, margarino sklidimo, kuris iš tikrųjų mažina MTL cholesterolio kiekį. Viena iš pirmaujančių amerikiečių kompanijų „Novartis Consumer Health“ prognozuoja, kad JAV funkcinių maisto produktų rinka yra apie dešimt milijardų dolerių, o numatomas metinis augimo tempas - dešimt procentų.

Vakcinos gamyba iš augalų :

Augalai yra gausus antigenų šaltinis gyvūnams imunizuoti. Transgeniniai augalai gali būti sukurti antigeninių baltymų arba kitų molekulių gamybai. Antigeno gamyba valgomoje augalo dalyje gali būti lengva ir veiksminga antigeno tiekimo sistemos dalis valgomoje augalo dalyje, kuri gali būti lengva ir veiksminga antigeno tiekimo sistema.

Galimas šios technologijos taikymas būtų veiksmingas žmonių ir gyvūnų imunizavimas nuo ligų ir gyvūnų kenkėjų kontrolės. Pavyzdžiui, hepatito B viruso antigenai sėkmingai ekspresuojami tabako augaluose ir naudojami pelėms imunizuoti. Pelės, šeriamos bulvėmis, išreiškiančiomis E. coli enterotoksino LT-B P-sub vienetą, taip pat gamino antikūnus, tokiu būdu apsaugodamos nuo bakterinio toksino.

Šis metodas žada atnešti kelią nebrangiai imunizacijai prieš kelias žmonių ligas. Oralinės vakcinos nuo choleros jau išreiškiamos augaluose. Antigenų generavimas per augalus yra ne tik ekonomiškai efektyvus, bet taip pat gali būti pagamintas masėje ir lengvai atkuriamas.