Olika tillämpningar av växtbioteknik

Tillämpningar av växtbioteknik!

Geneteknik av växter ger möjlighet att ändra sina egenskaper eller prestanda för att förbättra deras användbarhet. Sådan teknik kan användas för att modifiera uttrycket av gener som redan finns närvarande i växterna, eller att introducera nya gener av andra arter som växten inte kan uppfödas konventionellt. Således ger det större effektivitet för uppfyllandet av konventionella avelsändamål.

En av de betydande tillämpningarna av sådana tekniker ligger i att addera enskilda gener till önskvärda växttyper. Växtomvandling kan användas för att introducera nya eller nya egenskaper som skapar en ny marknad eller förskjuter konventionella produkter. Förbättringen kan relatera till växtens näringsvärde eller funktionella egenskaper vid bearbetning eller till och med konsumtion i sig.

Framför allt breddar denna teknik möjligheterna att överföra gener mellan orelaterade organismer och skapar således ny genetisk information genom specifik förändring av klonade gener. Låt oss diskutera konsekvenserna av denna teknik mer ingående.

Mat kvalité:

Näringskvalitet :

Fröplantor spelar en viktig roll i människa och djurfoder. Bara några spannmål bidrar till nästan femtio procent av de totala matkalorierna. På samma sätt står sju arter av köttbensin för en stor del av vårt kaloriintag.

Spannmål och baljväxter innehåller dock vissa proteiner som är bristfälliga i aminosyror som lysin och treonin. Legumes är också bristfälliga i svavel aminosyror. Några andra frögrödor som ris ger bättre balans mellan aminosyror, men faller ut på deras totala proteinhalter.

Gemensam logik följer att varje av dessa livsmedel kan katapulteras till perfektion om deras brister skulle kunna övervinnas genom att låna de saknade egenskaperna från andra grödor. Det är precis vad växtbioteknik gör - överföringen av en eller flera gener till växter som saknar viktiga komponenter.

Nyligen utvecklade professor Ingo Potrykus vid Schweiziska federala tekniska institutet (Zürich) och Dr. Peter Beyer vid universitetet i Freiburg (Tyskland) "Golden Rice", som har högre nivåer av vitamin A eller b-karoten.

Detta modifierade ris förväntas ge näringsmässiga fördelar till de som lider av vitamin A-bristrelaterade sjukdomar, inklusive irreversibel blindhet i hundratusentals barn årligen. Lämpligt vitamin A-innehåll kan också minska dödligheten i samband med infektionssjukdomar som diarré och barndomsmässling genom att förbättra aktiviteten hos det mänskliga immunsystemet.

Genetiska verktyg kan användas för att ändra kolhydrat, fett, fiber och vitaminhalt i maten. En annan användbar applikation är att plocka upp gener från proteinrika spannmål och överföra dem till protein med låg proteinhalt. Faktum är att ett liknande experiment utfördes vid Jawaharlal Nehru-universitetet i New Delhi, där forskare överförde en gen från amarant (Chaulai) till en potatis. Potatisen registrerade en ökning, inte bara i dess proteininnehåll, men också i dess storlek.

Transgena verktyg används också för att förbättra näringsvärdet av grödor genom att minska deras anti-näringsfaktorer (som proteashämmare och hemaglutininer i baljväxter). Problem som hör samman med flatulens i vissa livsmedel kan också åtgärdas genom att man manipulerar kostfiber- och oligosackaridinnehållet.

Biotekniska applikationer är ytterst användbara vid vetemetod. Vetehaltens kvalitet bestäms av närvaron av fröförvaringsproteiner i spannmålen. Sålunda kan dess kvalitet förbättras genom manipulering av närvaron av dessa proteiner. Fler glutenproteiner kan också tillsättas för att ge ökad elasticitet till deg. Vidare kan stärkelsinnehållet i vete ändras för att passa egenskaperna hos produkter som nudlar.

Funktionell kvalitet:

Transformation kan appliceras på frukt och grönsaker för att förbättra sin smak och struktur genom att manipulera sin mognadsprocess. Utförandet av växtprodukter under bearbetningen kan också förbättras genom genteknik. Till exempel, den första genetiskt konstruerade maten, var Flavr-Savr-tomaten manipulerad genetiskt för att sakta ner dess mogning och har en längre hållbarhetstid (Fig-2).

En annan gemensam strategi för att bekämpa mogning är att begränsa produktionen av mognadshormonetenet. Etylen framställs från S-adenosylmetionin genom omvandling till 1-amino-cyklopropan-l-karboxylsyra (ACC) i närvaro av ACC-syntas, följt av generering av etylen med ett ACC-oxidas eller etylenbildande enzym.

Ripening kan fördröjas genom att rikta antisenskonstruktioner mot någon av dessa enzymer eller genom att avlägsna ACC med en ACC-deaminas. Frukt kan sedan mognas efter behov genom exponering för en artificiell källa av eten.

Maltning och bryggning:

Ölproduktionen innebär spiring av korn under kontrollerade förhållanden. Ölkvaliteten beror sålunda i stor utsträckning på byggkornets sammansättning. Många kvaliteter av dessa korn kan förbättras väsentligt genom genteknik. Till exempel kan förbättring av bygggenzymernas stabilitet (särskilt vid höga temperaturer) förbättra dess effektivitet vid den temperatur som används vid mashing. Ölens smak kan också manipuleras genom att genetiskt behandla kornet. En sådan teknik är att reducera nivåerna av lipo-oxygenas.

Lagring Kolhydrater:

Att öka nivåerna av vissa enzymer som ADP-pyrofosforylas kan förbättra stärkelsyntesen av livsmedelsprodukter. Detta kan förbättra utbytet av stärkelsehaltiga livsmedel. Transformation kan också förändra egenskaperna hos växtstärkelse. Andelen amylas och amylopektin i stärkelse och kvalitet kan också regleras. Detta skulle göra det möjligt att skräddarsy stärkelse för att uppfylla kraven för specifika livsmedel eller industriprodukter.

Transgena växter med ökade nivåer av fruktaner (en form av glukos) produceras redan med användning av en levansukras från bakterier. Sackarosinnehållet i växter kan också manipuleras för att förbättra kvaliteten på sockergrödor som sockerrör och sockerbetor.

Sjukdomsresistens:

Insektsresistens:

Geneteknik har visat sig vara en välsignelse för att producera skadedjur. Denna teknik har övervunnit bristerna i att använda kemiska bekämpningsmedel. Senast har tekniken att införa sjukdomsresistenta gener i växtarter också blivit enormt populär.

Till exempel kan proteashämmare förhindra uppslutning av proteiner genom insekter och därmed sakta ner deras tillväxthastighet. Överföringen av sådana proteiner till växterna fungerar som ett naturligt skyddsmekanism mot insektsangrepp.

Vissa bakteriegener har också visat sig vara ganska effektiva för att förebygga skadedjur. Bacillus thuringiensis (Bt) producerar Bt-toxin, vilket är effektivt mot insektslarver. Transgena växter som har Bt-gener har producerats i grödor som sojabönor, majs och bomull och har visat sig vara resistenta mot skadegörare.

Många andra serokemikalier (kemikalier som förändrar insektsbeteendet) produceras av vissa insekter och växtarter. Överföring av dessa till andra växter kan vara mycket effektiv vid kontroll av sjukdomstillsyn. För att ta ett annat exempel innehåller den mottagliga potatisväxan inte fodermedelskemikalier som farnas, terpenoid och andra besläktade föreningar.

Dessa produceras av bladlösa resistenta växtarter som Solanum Berthaultii (i lövhår). Dessa föreningar verkar genom att framkalla ett attacksvar i bladlusen, så att de inte kan etablera sig på grödan. Överföring av dessa gener till potatisskörden kan skydda den från bladlössan.

Virusresistans:

Produktion av transgena växter med resistens mot virus är en av de mest framgångsrika tillämpningarna av växtomvandling. Flera strategier som innefattar uttryck av virusgenomet i växten har visat sig vara effektiva. Till exempel har uttrycket av skiktproteingen från virus varit mycket framgångsrik. Både känsla och antisensuttryck av delar av virusgenomet kan vara skyddande mot virusinfektion.

Nematodresistens:

Nya gener för nematodresistens erbjuder ett alternativt tillvägagångssätt för produktion av nematodresistenta växter. Geneteknik ger möjlighet att utveckla transgena växter med genetiskt motståndskraft mot dessa långsiktiga växtskadegörare och därmed minska beroendet av kemiska nematicider inom jordbruket.

Herbicidresistens :

Valet av en herbicid är mycket kritisk eftersom den bär en hög risk för att framkalla resistens. Ogräs kan snabbt utveckla flera herbicidresistens i vissa system när flera klasser av herbicid verkar på samma molekylär mål. Härigenom erbjuder herbicidresistensgener skydd genom att avgifta herbiciden (omvandla den till en inaktiv form).

Förbättra fotosyntetisk effektivitet:

Processen för fotosyntes är den viktigaste mekanismen för att lägga energi till växterna. Men även de mest effektiva växterna kan utnyttja endast cirka tre till fyra procent av hela solljuset. Bioteknik används nu för att förbättra nivån på fotosyntetisk effektivitet av RuBPCase (Ribulose-bisfosfatkarboxylas, involverad i koldioxidfixering).

Detta ökar katalysens effektivitet och minskar den konkurrenskraftiga oxygenasfunktionen (eftersom RuBP-fallet också uppträder som en oxygenas). Användbara varianter kan också produceras genom att kombinera generna som kodar för stora och små underenheter av enzymerna från olika arter.

Två olika sätt att göra detta är:

Abiotisk stresstolerans:

Växtproduktiviteten lider stora förluster på grund av olika former av stress under utvecklingens gång. Dessa stressfaktorer inkluderar temperatur, salthalt, torka, översvämning, UV-ljus och olika infektioner. Medan den molekylära grunden för sådana svar ännu inte är klar vet vi att de inkluderar de novo-syntesen av specifika proteiner (under-temperaturchock) och enzymer (alkoholdehydrogenas under anaerobios och fenylalaninaminogenas under UV-bestrålning).

Generna som svarar mot abiotisk stress har klonats och sekvenserats i många laboratorier, inklusive författarna som identifierade och transformerade en gen som kodar för glyoxalas 1 för att ge tolerans mot växter.

Regulatoriska sekvenser hos några av generna har också identifierats. Exempelvis har 5'-promotorsekvensen av alkoholdehydrogenas kopplats till CAT-reporteren (Chloremphenicol Acetyl Transferase) -genen och överförts till tobaksprotoplaster där O2-sensitiv uttryck har visats.

Sådana miljömässigt inducerbara promotorer kommer säkert att bli användbara verktyg för att studera genuttryck och detta arbete kommer att ligga till grund för överföringen av stress-responsiva gener under reglerade promotorer till mottagliga arter. Nyligen har tomater som är resistenta mot salthalt utvecklats.

Gener från olika organismer som marina resurser kan också användas för att förbättra växterna på olika sätt. Detta är ett innovativt steg mot att utveckla salttoleranta arter genom att överföra generna från marina växter (halophytes) till grödor av grödor och grönsaker.

På samma sätt har en gen, som kodar för ett protein från en flounderfisk, transformerats till växter för att skydda dem mot frysskador. Detta protein kan vara användbart för att förhindra frostskador vid lagring efter skörd. Således kan frysning användas för att bevara konsistens och smak av vissa frukter och grönsaker, som för närvarande inte är lämpliga för frysning.

Utveckling av kvävefixeringskapacitet i icke-leguminösa grödor:

Även om användningen av kvävegödsel har visat sig vara en effektiv väg att förbättra avkastningen, fortsätter det att vara ett dyrt förslag. Alternativet är att ge en naturlig kvävekälla inom växten. Introduktion av kvävefixerande mikroorganismer kan göra detta.

Sådana mikroorganismer kan fixera atmosfäriskt kväve i närvaro av kvävefixerande bakterier Rhizobium. Genom att omvandla kvävefixeringsgenerna (nif-gener) från björkbärande till icke-böljande grödor kan det vara ett kostnadseffektivt alternativ till de dyra gödselmedlen.

Andra sätt att förbättra kväveutbytet i växter kan emellertid uppnås genom att öka effektiviteten hos fixeringsprocessen i symbiotiska bakterier, öka effektiviteten hos fixeringsprocessen i de syntetiska bakterierna, modifiera kvävefixeringsbakterierna för att upprätthålla kvävefixering i närvaro av exogena kväve.

Cytoplasmisk manlig sterilitet :

Mycket forskning har gått in för att förklara mekanismen för Cytoplasmic Male Sterility (CMS). Detta drag resulterar i produktion av icke-funktionell pollen i mogna växtarter som sorghum, majs och sockerbetor och därigenom underlättar genereringen av värdefulla hybridväxter med hög avkastning.

Cytoplasmisk manlig sterilitet i dessa växtarter är i grunden associerad med omorganisationen av mitokondriellt DNA och syntesen av nya polypeptider. De snabbt utvecklande biotekniska verktygen kan så småningom möjliggöra överföring av CMS-egenskapen till manliga bördiga linjer. Genetiskt manipulerad mansterilitet har också en stor potential för generering av hybrider inom jordbruket.

Växtutveckling :

Utveckling av en växt är en komplex process, som involverar rollen av lätta receptorer som fytokrom, kloroplastgenuttryck, mitokondriegenuttryck i förhållande till manlig sterilitet, ackumulering av lagringsprodukt och lagringsorgan (frukt).

Det är nu möjligt att klona och sekvensera olika gener som är ansvariga för växtutveckling. Detta har ökat möjligheten att manipulera uttrycket av dessa gener, och därefter processen där de är involverade. Till exempel har tidiga blomningsgener rapporterats ändra egenskaperna hos senmognadssorterna.

Isoleringen av specifika promotorelement har också hjälpt till att utforma grödor som uttrycker proteiner i specifika vävnader. Gener som ansvarar för färgbildning kan överföras till växter som bär färglösa blommor. Dessutom kan manipulation av gener som kontrollerar blomning och pollenbildning generera transgena växter med förändrad fertilitet. Uttrycket av löv- och APETALAI-genen i Arabidopsis har resulterat i förkolisk blomning.

På samma sätt påverkar de förmodade hormonreceptorerna i växter känsligheten hos olika vävnader till tillväxtregulatorer och deras efterföljande differentiering och utveckling. Införandet av vildtyp eller modifierade gener för specifika tillväxtregulatorer har visat sig vara effektivt för att manipulera växtutveckling (som att ändra förfallstid eller antal och storlek på potatisknölar). Detta tillvägagångssätt kan tillämpas för att modifiera blommande respons, fruktutveckling och expression av lagringsproteingener.

Användbara proteiner från växter :

Många växter används nu för att producera användbara proteiner. Detta har fött Neutraceuticals - ett ord myntade för färdigmat. Dessa livsmedel är också kända som funktionella livsmedel. Neutraceuticals inkluderar alla "designer" livsmedel från vitaminberika frukostflingor till Benecol, en margarinspridning som faktiskt sänker LDL-kolesterol. Ett ledande amerikanskt företag, Novartis Consumer Health, uppskattar den amerikanska marknaden för funktionella livsmedel på cirka tio miljarder dollar, med en förväntad årlig tillväxttakt på tio procent.

Vaccinproduktion från växter :

Växter är en rik källa till antigener för immunisering av djur. Transgena växter kan utvecklas för att producera antigena proteiner eller andra molekyler. Produktion av antigenet i en ätbar del av växten kunde visa sig vara ett enkelt och effektivt sätt för leveranssystem för antigenet i en ätbar del av växten kunde visa sig vara ett enkelt och effektivt sätt för leveranssystem för antigenet.

Potentiella tillämpningar av denna teknik skulle inkludera effektiv immunisering av människor och djur mot sjukdom och bekämpning av djurskadedjur. Till exempel har antigener för hepatit B-viruset framgångsrikt uttryckts i tobaksplantor och användes för att immunisera möss. Möss matade potatis som uttrycker P-underenheten av E. coli enterotoxin LT-B har också producerat antikroppar och skyddar således mot bakteriellt toxin.

Denna teknik lovar att bana väg för billig immunisering mot flera mänskliga sjukdomar. Orala vacciner mot kolera har redan uttryckts i växter. Generering av antigener genom växter är inte bara kostnadseffektiv, men kan också vara massproducerad och lätt återhämtad.