Kapsa K č. 17: Genetické inženýrství a geneticky modifikované plodiny

Kapsa K č. 17: Genetické inženýrství a geneticky modifikované plodiny

Za posledních 50 let se obor genetického inženýrství rychle rozvíjel díky lepšímu pochopení deoxyribonukleové kyseliny (DNA) jako chemického kódu dvojité šroubovice, z níž se tvoří geny. Termín genové inženýrství se používá k popisu procesu, při kterém lze změnit genetickou výbavu organismu pomocí „technologie rekombinantní DNA“. Jedná se o použití laboratorních nástrojů k vložení, úpravě nebo vystřižení kousků DNA, které obsahují jeden nebo více zájmových genů.

Vývoj odrůd rostlin vyjadřujících dobré agronomické vlastnosti je konečným cílem šlechtitelů rostlin. Při konvenčním šlechtění rostlin je však jen malá nebo žádná záruka, že z milionů vytvořených křížení získáme nějakou konkrétní kombinaci genů. Nežádoucí geny mohou být přeneseny spolu s žádoucími geny; nebo zatímco jeden žádoucí gen je získán, jiný je ztracen, protože geny obou rodičů jsou smíchány dohromady a znovu více či méně náhodně roztříděny v potomstvu. Tyto problémy omezují zlepšení, kterých mohou šlechtitelé rostlin dosáhnout.

Naproti tomu genetické inženýrství umožňuje přímý přenos jednoho nebo jen několika zájmových genů mezi blízce nebo vzdáleně příbuznými organismy za účelem získání požadovaného agronomického znaku (obrázek 1). Ne všechny techniky genového inženýrství zahrnují vkládání DNA z jiných organismů. Rostliny lze modifikovat také odstraněním nebo vypnutím jejich vlastních konkrétních genů.

Zdroj: Zemědělské biotechnologie (mnohem více než jen geneticky modifikované plodiny). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/.

Geny jsou molekuly DNA, které kódují odlišné znaky nebo vlastnosti. Určitá sekvence genů je například zodpovědná za barvu květu nebo schopnost rostliny bojovat s nemocí či prospívat v extrémním prostředí.

Příroda je sama sobě genetickým inženýrem

„Sdílení“ DNA mezi živými formami je dobře zdokumentováno jako přírodní jev. Po tisíce let se geny přesouvají z jednoho organismu do druhého. Například Agrobacterium tumefaciens, půdní bakterie známá jako „vlastní genetický inženýr přírody“, má přirozenou schopnost geneticky upravovat rostliny. Způsobuje onemocnění korunky u celé řady širokolistých rostlin, jako jsou jabloně, hrušně, broskvoně, třešně, mandloně, maliny a růže. Toto onemocnění získalo svůj název podle velkých nádorovitých zduřenin (hálek), které se obvykle vyskytují v koruně rostliny těsně nad úrovní půdy. V podstatě jde o to, že bakterie přenese část své DNA do rostliny a tato DNA se integruje do genomu rostliny, což způsobí tvorbu nádorů a s tím spojené změny v metabolismu rostliny.

Použití genového inženýrství v rostlinné výrobě

Techniky genového inženýrství se používají až tehdy, když jsou vyčerpány všechny ostatní techniky, tj.tj. když znak, který má být zaveden, není přítomen v zárodečné plazmě plodiny; znak je velmi obtížné zlepšit konvenčními šlechtitelskými metodami; a když zavedení a/nebo zlepšení takového znaku v plodině konvenčními šlechtitelskými metodami bude trvat velmi dlouho (viz obrázek 2). Plodiny vyvinuté pomocí genového inženýrství jsou běžně známé jako transgenní plodiny nebo geneticky modifikované (GM) plodiny.

Moderní šlechtění rostlin je multidisciplinární a koordinovaný proces, v němž se využívá a integruje velké množství nástrojů a prvků konvenčních šlechtitelských technik, bioinformatiky, molekulární genetiky, molekulární biologie a genetického inženýrství.

Vývoj transgenních plodin

Přestože se genové inženýrství zabývá mnoha různorodými a složitými technikami, jeho základní principy jsou poměrně jednoduché. Existuje pět hlavních kroků při vývoji geneticky modifikované plodiny. Pro každý krok je však velmi důležité znát biochemické a fyziologické mechanismy působení, regulaci genové exprese a bezpečnost genu a genového produktu, který má být využit. Ještě předtím, než je geneticky modifikovaná plodina zpřístupněna pro komerční využití, musí projít přísnými postupy hodnocení bezpečnosti a rizik.

Prvním krokem je extrakce DNA z organismu, o němž je známo, že má zájmovou vlastnost. Druhým krokem je klonování genu, při němž se z celé extrahované DNA izoluje zájmový gen, po němž následuje hromadná produkce klonovaného genu v hostitelské buňce. Po naklonování je zájmový gen navržen a zabalen tak, aby mohl být kontrolován a správně exprimován, jakmile se dostane do hostitelské rostliny. Upravený gen se poté hromadně vyrobí v hostitelské buňce, aby se vytvořily tisíce kopií. Jakmile je balíček genu připraven, může být vnesen do buněk modifikované rostliny prostřednictvím procesu zvaného transformace. K nejběžnějším metodám zavádění genového balíčku do rostlinných buněk patří biolistická transformace (pomocí genové pistole) nebo transformace zprostředkovaná Agrobacteriem. Jakmile je vložený gen stabilní, dědí se a projevuje se v následujících generacích, je rostlina považována za transgenní. Šlechtění zpětným křížením je posledním krokem v procesu genového inženýrství, kdy se transgenní plodina kříží s odrůdou, která má důležité agronomické vlastnosti, a selektuje se s cílem získat vysoce kvalitní rostliny, které exprimují vložený gen požadovaným způsobem.

Délka vývoje transgenní rostliny závisí na genu, druhu plodiny, dostupných zdrojích a schválení regulačními orgány. Může trvat 6-15 let, než bude nový transgenní hybrid připraven ke komerčnímu uvolnění.

Komerčně dostupné plodiny vylepšené pomocí genového inženýrství

Transgenní plodiny se v různých zemích pěstují již dvacet let, počínaje rokem 1996. V roce 2018 bylo osázeno přibližně 191,7 milionu hektarů transgenními plodinami s vysokou tržní hodnotou, jako jsou sója, kukuřice, bavlna a řepka tolerantní vůči herbicidům, kukuřice, bavlna, brambory a rýže odolné vůči hmyzu a dýně a papája odolné vůči virům. Díky genovému inženýrství lze do rostliny začlenit nebo na sebe navázat více než jeden znak. Transgenní plodiny s kombinovanými znaky jsou také komerčně dostupné. Patří mezi ně kukuřice, sója a bavlna odolné vůči herbicidům a hmyzu.

Nové a budoucí iniciativy v oblasti genového inženýrství plodin

K dnešnímu dni přinesly komerční geneticky modifikované plodiny výhody v rostlinné výrobě, ale v přípravě je také řada produktů, které budou mít přímější přínos pro kvalitu potravin, přínos pro životní prostředí, výrobu léčiv a nepotravinářské plodiny. Mezi příklady těchto produktů patří: biotechnologická rýže s trojitými znaky (triple stack trait) s lepším výnosem uprostřed abiotických stresů, biotechnologický kaštanovník jedlý s odolností vůči plísni kaštanové, biotechnologické citrusy odolné vůči zelenání citrusů, brambory obohacené o beta-karoten, biofortifikovaný čirok, banán odolný vůči bakteriálnímu (Xanthomonas) vadnutí, banán odolný vůči viru Bunchytop, pšenice odolná vůči hmyzu a další.

• Agricultural Biotechnology in Europe. 2003. Budoucí vývoj v oblasti rostlinných biotechnologií. Issue Paper 6. http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/life&chemistry/future.pdf.
• DANIDA. 2002. Assessment of Potentials and Constraints for Development and Use of Plant Biotechnology in Relation to Plant Breeding and Crop Production in Developing Countries [Posouzení potenciálu a omezení pro rozvoj a využití rostlinných biotechnologií ve vztahu k šlechtění rostlin a produkci plodin v rozvojových zemích]. Ministerstvo zahraničních věcí, Dánsko.
• Desmond, S. a T. Nicholl. 1994. Úvod do genetického inženýrství. Cambridge University Press.
• Giddings, G., G. Allison, D. Brooks a A. Carter. 2000. Transgenní rostliny jako továrny na biofarmaka. Nature Biotechnology 18: 1151-1155.
• Goto, F., R. Yoshihara, N. Shigemoto, S. Toki a F. Takaiwa. 1999. Fortifikace rýžových semen železem pomocí genu pro sójový feritin. Nature Biotechnology 17: 282-286.
• ISAAA. 2018. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2018 (Globální stav komercionalizovaných biotechnologických/GM plodin: 2018). ISAAA Brief No. 54. ISAAA: Ithaca, NY.
• Lopez-Bucio, J., O. M. de la Vega, A. Guevara-Garcia a L. Herera-Estrella. 2000. Enhanced Phosphorous Uptake in Transgenic Tobacco Plants that Overproduce Citrate (Zvýšený příjem fosforu u transgenních rostlin tabáku, které nadměrně produkují citrát). Nature Biotechnology 18: 450-453.
• Robinson, C. 2001. Genetic Modification Technology and Food (Technologie genetických modifikací a potraviny): Zdraví a bezpečnost spotřebitelů. ILSI Europe Concise Monograph Series. http://www.ilsi.org/Europe/Publications/C2002Gen_Mod.pdf.
• University of Nebraska – Lincoln. 2015. Přehled genetického inženýrství plodin. http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?
  idinformationmodule=957879329&topicorder=8&maxto=9.
• Ye, X., S. Al-Babili, A. Kloti, J. Zhang, P. Lucca a I. Potrykus. 2000. Engineering the Provitamin A (b-carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotinoid-Free) Rice Endosperm (Inženýrství biosyntetické dráhy provitaminu A (b-karotenu) v endospermu rýže bez karotinoidů). Science 287(5451): 303-305.

*Aktualizováno v březnu 2020

.