Verschillende toepassingen van plant-biotechnologie

Toepassingen van Plant Biotechnology!

Genetische manipulatie van planten biedt de mogelijkheid om hun eigenschappen of prestaties aan te passen om hun nut te verbeteren. Een dergelijke technologie kan worden gebruikt voor het modificeren van de expressie van genen die al in de planten aanwezig zijn, of voor het introduceren van nieuwe genen van andere soorten waarmee de plant niet conventioneel kan worden gefokt. Het geeft dus meer efficiëntie voor het vervullen van conventionele fokdoeleinden.

Een van de significante toepassingen van dergelijke technieken ligt in het toevoegen van enkele genen aan gewenste plantentypen. Plantransformatie kan worden gebruikt om nieuwe of nieuwe kenmerken te introduceren die een nieuwe markt creëren of conventionele producten verdringen. De verbetering kan betrekking hebben op de voedingswaarde van de plant of de functionele eigenschappen in de verwerking of zelfs consumptie als zodanig.

Bovenal verbreedt deze technologie de mogelijkheden om genen over te dragen tussen niet-verwante organismen, en creëert zo nieuwe genetische informatie door specifieke verandering van gekloonde genen. Laten we de implicaties van deze technologie in meer detail bespreken.

Voedselkwaliteit:

Voedingskwaliteit :

Zaadgewassen spelen een belangrijke rol bij de voeding van mens en dier. Slechts een paar granen dragen bij aan bijna vijftig procent van de totale voedselcalorieën. Op dezelfde manier zijn zeven soorten peulvruchten goed voor een groot deel van onze calorie-inname.

Graangewassen en peulvruchten bevatten echter bepaalde eiwitten met een tekort aan aminozuren zoals lysine en threonine. Peulvruchten hebben ook een tekort aan zwavelaminozuren. Sommige andere zaadgewassen zoals rijst bieden een betere balans van aminozuren, maar hebben gevolgen voor hun algehele eiwitniveau.

De gemeenschappelijke logica volgt dat elk van deze voedingsmiddelen naar perfectie zou kunnen worden gekatapulteerd als hun tekortkomingen zouden kunnen worden overwonnen door die ontbrekende trekken van andere gewassen te lenen. Dat is precies wat plantenbiotechnologie doet: de overdracht van enkele of meerdere genen naar planten zonder belangrijke componenten.

Onlangs hebben Professor Ingo Potrykus van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (Zürich) en Dr. Peter Beyer van de Universiteit van Freiburg (Duitsland) de 'Gouden Rijst' ontwikkeld, die meer niveaus van pro-vitamine A of b-caroteen bevat.

Van deze gemodificeerde rijst wordt verwacht dat hij voedingswaarde oplevert voor mensen die lijden aan vitamine A-tekort gerelateerde ziekten, waaronder onomkeerbare blindheid bij honderdduizenden kinderen per jaar. Adequaat vitamine A-gehalte kan ook de sterfte die gepaard gaat met infectieziekten zoals diarree en kindermuzie verminderen door de activiteit van het menselijke immuunsysteem te verbeteren.

Genetische hulpmiddelen kunnen worden gebruikt om het koolhydraat-, vet-, vezel- en vitaminegehalte van voedsel te veranderen. Een andere nuttige toepassing is het oppakken van genen uit eiwitrijke granen en deze over te brengen naar eiwitarm voedsel. In feite werd een soortgelijk experiment uitgevoerd aan de Jawaharlal Nehru-universiteit in New Delhi, waar wetenschappers een gen van amarant (Chaulai) in een aardappel overbrachten. De aardappel registreerde niet alleen het eiwitgehalte, maar ook de grootte.

Transgene gereedschappen worden ook gebruikt om de voedingswaarde van gewassen te verbeteren door hun anti-nutritionele factoren (zoals proteaseremmers en hemaglutinines in peulvruchten) te verminderen. Problemen in verband met de winderigheid in bepaalde voedingsmiddelen kunnen ook worden aangepakt door de voedingsvezels en het oligosaccharidegehalte te manipuleren.

Biotechnische toepassingen zijn ook uiterst nuttig in het geval van tarwe. De kwaliteit van tarwe wordt bepaald door de aanwezigheid van zaadopslag-eiwitten van het graan. De kwaliteit ervan kan dus worden verbeterd door de aanwezigheid van deze eiwitten te manipuleren. Er kunnen ook meer gluten-eiwitten worden toegevoegd om het deeg een grotere elasticiteit te geven. Verder kan het zetmeelgehalte van tarwe worden veranderd om te passen bij de eigenschappen van producten zoals noedels.

Functionele kwaliteit:

Transformatie kan worden toegepast op fruit en groenten om hun smaak en textuur te verbeteren door hun rijpingsproces te manipuleren. De prestaties van plantaardige producten tijdens hun verwerking kunnen ook worden verbeterd door genetische manipulatie. Bijvoorbeeld, het eerste genetisch gemanipuleerde voedsel, de Flavr-Savr-tomaat werd genetisch gemanipuleerd om het rijpen te vertragen en heeft een langere houdbaarheid (figuur 2).

Een andere gemeenschappelijke strategie om rijping te beheersen, is om de productie van het rijpende hormoon ethyleen te beteugelen. Ethyleen wordt geproduceerd uit S-adenosylmethionine door omzetting in 1-amino-cyclopropaan-1-carbonzuur (ACC) in de aanwezigheid van ACC-synthese, gevolgd door de vorming van ethyleen door een ACC-oxidase of ethyleenvormend enzym.

Rijping kan worden vertraagd door antisense constructies te richten tegen elk van deze enzymen of door ACC te verwijderen met een ACC-deaminase. Fruit kan dan worden gerijpt zoals vereist door blootstelling aan een kunstmatige ethyleenbron.

Mouten en brouwen:

De productie van bier omvat de ontkieming van gerst onder gecontroleerde omstandigheden. De kwaliteit van bier hangt dus in grote mate af van de samenstelling van de gerstkorrel. Veel eigenschappen van deze korrels kunnen aanzienlijk worden verbeterd door genetische manipulatie. Bijvoorbeeld, het verbeteren van de stabiliteit van de gerst-enzymen (vooral bij hoge temperaturen) kan de effectiviteit ervan verhogen bij de temperatuur die wordt gebruikt tijdens het stampen. De smaak van het bier kan ook worden gemanipuleerd door de gerst genetisch te behandelen. Een dergelijke techniek is die van het verminderen van de niveaus van lipo-oxygenase.

Opslag koolhydraten:

Het verhogen van de niveaus van bepaalde enzymen zoals ADP-pyrofosforylase kan de zetmeelsynthese van voedingsproducten verbeteren. Dit kan de opbrengst aan zetmeelrijke voedingsmiddelen verbeteren. Transformatie kan ook de eigenschappen van plantaardig zetmeel veranderen. De hoeveelheid amylase en amylopectine in het zetmeel en de kwaliteit kan ook worden gereguleerd. Hierdoor kan zetmeel worden aangepast aan de vereisten voor specifieke voedingsmiddelen of industriële producten.

Transgene planten met verhoogde niveaus van fructanen (een vorm van glucose) worden al geproduceerd met behulp van een levansucrase van bacteriën. Het sucrosegehalte van planten kan ook worden gemanipuleerd om de kwaliteit van suikergewassen zoals suikerriet en suikerbiet te verbeteren.

Ziekte weerstand:

Insectenbestendig:

Genetische manipulatie is een zegen gebleken voor het produceren van plaagbestendige planten. Deze technologie heeft de tekortkomingen van het gebruik van chemische bestrijdingsmiddelen overwonnen. De laatste tijd is de techniek van het introduceren van ziekteresistente genen in plantensoorten ook enorm populair geworden.

Proteaseremmers kunnen bijvoorbeeld de vertering van eiwitten door insecten voorkomen en daardoor hun groeisnelheid vertragen. De overdracht van dergelijke eiwitten naar de planten fungeert als een natuurlijk beschermingsmechanisme tegen insectenaanvallen.

Bepaalde bacteriële genen zijn ook tamelijk effectief gebleken in het voorkomen van ongediertebeschadiging. Bacillus thuringiensis (Bt) produceert Bt-toxine, dat effectief is tegen insectlarven. Transgene planten met Bt-genen zijn geproduceerd in gewassen zoals sojabonen, maïs en katoen en hebben bewezen resistent te zijn tegen plaagaanvallen.

Veel andere serochemicaliën (chemicaliën die het gedrag van insecten veranderen) worden geproduceerd door bepaalde insecten- en plantensoorten. Het overbrengen van deze naar andere planten kan zeer effectief zijn bij het controleren van de ziekte-incidentie. Om nog een ander voorbeeld te geven, bevat het vatbare aardappelgewas geen antioxiderende chemicaliën zoals farnase, een terpenoïde en andere verwante verbindingen.

Deze worden geproduceerd door bladluisbestendige plantensoorten zoals Solanum berthaultii (in bladharen). Deze verbindingen werken door een aanvalsreactie op te roepen in bladluizen, zodat ze zich niet in het gewas kunnen vestigen. Het overbrengen van deze genen naar het aardappelgewas kan het beschermen tegen bladluismisdreiging.

Virusbestendigheid:

Productie van transgene planten met resistentie tegen virussen is een van de meest succesvolle toepassingen van plantentransformatie. Verschillende strategieën met betrekking tot de expressie van het virale genoom in de plant zijn effectief gebleken. De expressie van manteleiwitgen uit virus is bijvoorbeeld op grote schaal succesvol geweest. Zowel sense als antisense expressie van delen van het virale genoom kunnen beschermend zijn tegen virale infectie.

Nematode weerstand:

Nieuwe genen voor nematodenresistentie bieden een alternatieve benadering voor de productie van nematode-resistente planten. Genetische manipulatie biedt een mogelijkheid om transgene planten te ontwikkelen met genetische resistentie tegen deze langetermijnplantenplanten, en zo de afhankelijkheid van chemische nematiciden in de landbouw te verminderen.

Herbicide weerstand :

De keuze voor een herbicide is zeer kritisch omdat het een hoog risico op het induceren van resistentie met zich meebrengt. Onkruid kan in sommige systemen snel meerdere resistentie tegen herbiciden ontwikkelen wanneer verschillende klassen herbiciden op hetzelfde moleculaire doelwit inwerken. Ook hier bieden herbicideresistentiegenen bescherming door het herbicide te ontgiften (het omzetten in een inactieve vorm).

Verbetering van de fotosynthetische efficiëntie:

Het proces van fotosynthese is het belangrijkste mechanisme om energie aan de planten toe te voegen. Zelfs de meest efficiënte planten kunnen echter slechts ongeveer drie tot vier procent van het volle zonlicht benutten. Biotechnologie wordt nu gebruikt om het niveau van fotosynthetische efficiëntie van RuBPCase (Ribulose bis fosfaatcarboxylase, betrokken bij koolstofdioxidefixatie) te verbeteren.

Dit verhoogt de efficiëntie van de katalyse en vermindert de competitieve oxygenasefunctie (aangezien RuBP Case zich ook gedraagt ​​als een oxygenase). Bruikbare varianten kunnen ook worden geproduceerd door het combineren van de genen die coderen voor grote en kleine subeenheden van de enzymen van verschillende soorten.

Twee verschillende manieren om dit te doen zijn:

Abiotische stresstolerantie:

De productiviteit van planten loopt grote verliezen op door verschillende vormen van stress tijdens hun ontwikkeling. Deze stressfactoren omvatten temperatuur, zoutgehalte, droogte, overstroming, UV-licht en verschillende infecties. Hoewel de moleculaire basis van dergelijke reacties nog niet duidelijk is, weten we dat ze de novo synthese van specifieke eiwitten (onder een temperatuurschok) en enzymen (alcoholdehydrogenase onder anaerobiose en fenylalanineamino-lyase onder UV-bestraling) omvatten.

De genen die reageren op abiotische stress zijn gekloond en in vele laboratoria gesequenced, waaronder die van de auteurs die een gen coderend voor glyoxalase 1 hebben geïdentificeerd en getransformeerd om tolerantie voor planten te verlenen.

De regulerende sequenties van enkele van de genen zijn ook geïdentificeerd. De 5'-promotersequentie van alcoholdehyhrogenase is bijvoorbeeld gekoppeld aan het CAT-reportergeneesmiddel (Chloremphenicol Acetyl Transferase) en overgedragen aan tabakspropoplasten waarbij 02-gevoelige expressie is aangetoond.

Dergelijke door het milieu induceerbare promoters zullen zeker nuttige hulpmiddelen worden voor het bestuderen van genexpressie, en dit werk zal de basis leggen voor de overdracht van stressgevoelige genen onder gereguleerde promoters tot gevoelige soorten. Onlangs zijn tomatenplanten ontwikkeld die resistent zijn tegen zoutgehalte.

Genen van verschillende organismen zoals mariene hulpbronnen kunnen ook worden gebruikt om planten op verschillende manieren te verbeteren. Dit is een innovatieve stap om zouttolerante soorten te ontwikkelen, door de genen over te brengen van zeeplanten (halofyten) naar graan- en groentegewassen.

Evenzo is een gen dat codeert voor een eiwit van een botvis, getransformeerd in planten om ze te beschermen tegen schade door bevriezing. Dit eiwit kan nuttig zijn om vorstschade te voorkomen bij opslag na de oogst. Zo kan invriezen worden gebruikt om de textuur en smaak van sommige soorten fruit en groenten te behouden, die momenteel niet geschikt zijn om in te vriezen.

Ontwikkeling van stikstofbindend vermogen in niet-legumineweeten:

Hoewel de toediening van stikstofhoudende meststoffen een efficiënte manier is gebleken om de gewasopbrengsten te verbeteren, blijft het een dure aangelegenheid. Het alternatief is om een ​​natuurlijke stikstofbron binnen de plant te bieden. Het introduceren van stikstof-fixerende micro-organismen kan dit doen.

Dergelijke micro-organismen zijn in staat om stikstof uit de lucht te binden in aanwezigheid van stikstofbindende bacteriën Rhizobium. Het transformeren van de stikstoffixerende genen (nif-genen) van vlinderbloemige tot niet-vlinderbloemige gewassen kan een kosteneffectief alternatief bieden voor de dure meststoffen.

Andere manieren om de stikstofopbrengst in planten te verbeteren, kunnen echter worden bereikt door de efficiëntie van het fixatieproces in symbiotische bacteriën te verhogen, de efficiëntie van het fixatieproces in de synthetische bacteriën te verhogen, de stikstofbindende bacteriën te modificeren om de stikstoffixatie in aanwezigheid van exogene te handhaven stikstof.

Cytoplasmische mannelijke steriliteit :

Er is veel onderzoek gedaan naar de verklaring van het mechanisme van Cytoplasmic Male Sterility (CMS). Dit kenmerk resulteert in de productie van niet-functioneel stuifmeel in volgroeide plantensoorten zoals sorghum, maïs en suikerbiet, en vergemakkelijkt derhalve het genereren van waardevolle hoogproductieve hybride zaden.

Cytoplasmische mannelijke steriliteit in deze plantensoorten is in principe geassocieerd met de reorganisatie van mitochondriaal DNA en de synthese van nieuwe polypeptiden. De zich snel ontwikkelende biotechnologische hulpmiddelen kunnen uiteindelijk de overdracht van de CMS-eigenschap naar mannelijke vruchtbare lijnen mogelijk maken. Genetisch gemanipuleerde mannelijke steriliteit heeft ook een groot potentieel voor het genereren van hybriden in de landbouw.

Plantontwikkeling :

Ontwikkeling van een plant is een complex proces, dat de rol van lichtreceptoren zoals fytochroom, chloroplast-genexpressie, mitochondriale genexpressie in relatie tot mannelijke steriliteit, opslagproductaccumulatie en opslagorgel (fruit) -ontwikkeling omvat.

Het is nu mogelijk om verschillende genen te klonen en te sequensen die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van planten. Dit heeft de mogelijkheid vergroot om de expressie van deze genen te manipuleren, en vervolgens het proces waarbij ze zijn betrokken. Er is bijvoorbeeld vermeld dat genen voor vroege bloei de eigenschappen van de laat rijpende variëteiten veranderen.

De isolatie van specifieke promotorelementen heeft ook geholpen bij het ontwerpen van gewassen die eiwitten in specifieke weefsels tot expressie brengen. Genen die verantwoordelijk zijn voor kleurvorming kunnen worden overgebracht naar planten met kleurloze bloemen. Bovendien kan manipulatie van genen die bloei en pollenvorming regelen, transgene planten met veranderde vruchtbaarheid genereren. De expressie van het blad- en APETALAI-gen in Arabidopsis resulteerde in vroegrijpe bloei.

Evenzo beïnvloeden de vermeende hormoonreceptoren in planten de gevoeligheid van verschillende weefsels voor groeiregulatoren en hun daaropvolgende differentiatie en ontwikkeling. De introductie van wildtype of gemodificeerde genen voor specifieke groeiregulatoren is effectief gebleken bij het manipuleren van de ontwikkeling van planten (zoals het veranderen van de rijpheidstijd of het aantal en de grootte van aardappelknollen). Deze aanpak kan worden toegepast voor het modificeren van de bloeireactie, de ontwikkeling van fruit en expressie van genen voor opslageiwitten.

Nuttige eiwitten van planten :

Veel planten worden nu gebruikt om bruikbare eiwitten te produceren. Dit heeft aanleiding gegeven tot Neutraceuticals - een woord bedacht voor verzonnen voedsel. Deze voedingsmiddelen zijn ook bekend als functionele voedingsmiddelen. Tot de neutraceuticals behoren alle 'designer'-voedingsmiddelen van de met vitaminen verrijkte ontbijtgranen tot Benecol, een margarinespreiding die het LDL-cholesterol verlaagt. Een toonaangevend Amerikaans bedrijf, Novartis Consumer Health, schat de Amerikaanse markt voor functionele voedingsmiddelen op ongeveer tien miljard dollar, met een verwachte jaarlijkse groei van tien procent.

Vaccinproductie uit planten :

Planten zijn een rijke bron van antigenen voor de immunisatie van dieren. Transgene planten kunnen worden ontwikkeld om antigene eiwitten of andere moleculen te produceren. Productie van het antigeen in een eetbaar deel van de plant zou kunnen blijken een eenvoudig en effectief wijze van afleversysteem te zijn voor het antigeen in een eetbaar deel van de plant dat zou kunnen blijken een eenvoudig en effectief wijze van afgiftesysteem voor het antigeen te zijn.

Potentiële toepassingen van deze technologie zouden efficiënte immunisatie van mensen en dieren tegen ziekte en beheersing van dierlijke plagen omvatten. Antigenen voor het hepatitis B-virus zijn bijvoorbeeld met succes tot expressie gebracht in tabaksplanten en gebruikt voor het immuniseren van muizen. Muizen die worden gevoed met aardappelen die de P-subeenheid van E. coli-enterotoxine LT-B tot expressie brengen, hebben ook antilichamen geproduceerd, waardoor ze beschermen tegen het bacteriële toxine.

Deze techniek belooft de weg vrij te maken voor goedkope immunisatie tegen verschillende menselijke ziekten. Orale vaccins tegen cholera zijn al tot expressie gebracht in planten. Het genereren van antigenen door planten is niet alleen kosteneffectief, maar kan ook in grote hoeveelheden worden geproduceerd en gemakkelijk worden teruggewonnen.