Kieszonkowe K Nr 17: Inżynieria genetyczna i uprawy GMO

Kieszonkowe K Nr 17: Inżynieria genetyczna i uprawy GMO

W ciągu ostatnich 50 lat, dziedzina inżynierii genetycznej rozwinęła się gwałtownie dzięki lepszemu zrozumieniu kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) jako chemicznego kodu podwójnej helisy, z którego zbudowane są geny. Termin inżynieria genetyczna jest używany do opisania procesu, w którym genetyczny makijaż organizmu może być zmieniony przy użyciu „technologii rekombinacji DNA”. Obejmuje to wykorzystanie narzędzi laboratoryjnych do wstawiania, zmieniania lub wycinania fragmentów DNA, które zawierają jeden lub więcej genów zainteresowania.

Opracowanie odmian roślin wyrażających dobre właściwości agronomiczne jest ostatecznym celem hodowców roślin. Jednak w przypadku konwencjonalnej hodowli roślin, istnieje niewielka lub żadna gwarancja uzyskania jakiejkolwiek szczególnej kombinacji genów z milionów generowanych krzyżówek. Niepożądane geny mogą być przenoszone wraz z genami pożądanymi; lub, podczas gdy jeden pożądany gen jest uzyskiwany, inny jest tracony, ponieważ geny obojga rodziców są mieszane razem i ponownie rozmieszczane w potomstwie w sposób mniej lub bardziej przypadkowy. Te problemy ograniczają ulepszenia, jakie mogą osiągnąć hodowcy roślin.

W przeciwieństwie do tego, inżynieria genetyczna pozwala na bezpośredni transfer jednego lub tylko kilku genów, pomiędzy blisko lub daleko spokrewnionymi organizmami, w celu uzyskania pożądanej cechy agronomicznej (rysunek 1). Nie wszystkie techniki inżynierii genetycznej obejmują wprowadzanie DNA z innych organizmów. Rośliny mogą być również modyfikowane poprzez usuwanie lub wyłączanie ich własnych genów.

Źródło: Agricultural Biotechnology (A Lot More than Just GM Crops). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/.

Geny to cząsteczki DNA, które kodują odrębne cechy lub właściwości. Na przykład, szczególna sekwencja genów jest odpowiedzialny za kolor kwiatu lub zdolność rośliny do walki z chorobą lub rozwijać się w ekstremalnych środowiskach.

Natura własny inżynier genetyczny

„Dzielenie” DNA wśród żywych form jest dobrze udokumentowane jako zjawisko naturalne. Przez tysiące lat geny przenosiły się z jednego organizmu do drugiego. Na przykład, Agrobacterium tumefaciens, bakteria glebowa znana jako „własny inżynier genetyczny natury”, ma naturalną zdolność do genetycznej inżynierii roślin. Powoduje ona galaretowatość korony u szerokiej gamy roślin liściastych, takich jak jabłonie, grusze, brzoskwinie, wiśnie, migdały, maliny i róże. Nazwa choroby pochodzi od dużych guzowatych zgrubień (galasów), które zwykle występują w koronie rośliny, tuż nad poziomem gleby. Zasadniczo bakteria przenosi część swojego DNA do rośliny, a to DNA integruje się z genomem rośliny, powodując produkcję guzów i związane z tym zmiany w metabolizmie roślin.

Zastosowanie inżynierii genetycznej w produkcji roślinnej

Techniki inżynierii genetycznej są stosowane tylko wtedy, gdy wszystkie inne techniki zostały wyczerpane, tj.tj. gdy cecha, która ma być wprowadzona, nie występuje w germplazie danej rośliny uprawnej; cecha jest bardzo trudna do udoskonalenia konwencjonalnymi metodami hodowlanymi; oraz gdy wprowadzenie i/lub udoskonalenie takiej cechy w danej roślinie uprawnej konwencjonalnymi metodami hodowlanymi zajmie bardzo dużo czasu (patrz rys. 2). Uprawy opracowane za pomocą inżynierii genetycznej są powszechnie znane jako uprawy transgeniczne lub uprawy genetycznie zmodyfikowane (GM).

Nowoczesna hodowla roślin jest wielodyscyplinarnym i skoordynowanym procesem, w którym wykorzystuje się i integruje dużą liczbę narzędzi i elementów konwencjonalnych technik hodowlanych, bioinformatyki, genetyki molekularnej, biologii molekularnej i inżynierii genetycznej.

Rozwój upraw transgenicznych

Chociaż istnieje wiele różnorodnych i złożonych technik związanych z inżynierią genetyczną, jej podstawowe zasady są dość proste. Istnieje pięć głównych kroków w rozwoju genetycznie zmodyfikowanej uprawy. Ale na każdym etapie bardzo ważne jest, aby znać biochemiczne i fizjologiczne mechanizmy działania, regulację ekspresji genu oraz bezpieczeństwo genu i produktu genowego, który ma być wykorzystany. Nawet zanim genetycznie zmodyfikowana roślina uprawna zostanie udostępniona do użytku komercyjnego, musi przejść przez rygorystyczne procedury oceny bezpieczeństwa i ryzyka.

Pierwszym krokiem jest ekstrakcja DNA z organizmu, o którym wiadomo, że posiada interesującą nas cechę. Drugim krokiem jest klonowanie genów, które wyizoluje interesujący nas gen z całego wyekstrahowanego DNA, a następnie masowa produkcja sklonowanego genu w komórce gospodarza. Po sklonowaniu interesujący nas gen jest projektowany i pakowany w taki sposób, aby mógł być kontrolowany i prawidłowo wyrażany w roślinie gospodarza. Zmodyfikowany gen będzie następnie masowo produkowany w komórce gospodarza w celu uzyskania tysięcy kopii. Kiedy pakiet genów jest gotowy, może być wprowadzony do komórek modyfikowanej rośliny w procesie zwanym transformacją. Najpopularniejsze metody wprowadzania pakietu genów do komórek roślinnych to transformacja biolistyczna (przy użyciu pistoletu genowego) lub transformacja z udziałem Agrobacterium. Kiedy wprowadzony gen jest stabilny, dziedziczony i wyrażany w kolejnych pokoleniach, wtedy roślina jest uważana za transgeniczną. Hodowla metodą krzyżowania wstecznego jest ostatnim etapem procesu inżynierii genetycznej, w którym transgeniczna roślina uprawna jest krzyżowana z odmianą posiadającą ważne cechy agronomiczne i selekcjonowana w celu uzyskania wysokiej jakości roślin, które wyrażają wprowadzony gen w pożądany sposób.

Długość czasu w rozwoju roślin transgenicznych zależy od genu, gatunku rośliny uprawnej, dostępnych zasobów i zatwierdzenia przez władze. Może minąć 6-15 lat, zanim nowa hybryda transgeniczna będzie gotowa do wprowadzenia na rynek.

Dostępne komercyjnie uprawy ulepszone dzięki inżynierii genetycznej

Rośliny transgeniczne są sadzone w różnych krajach od dwudziestu lat, począwszy od 1996 roku. Około 191,7 mln hektarów zostało obsadzonych w 2018 roku transgenicznymi uprawami o wysokiej wartości rynkowej, takimi jak soja, kukurydza, bawełna i rzepak tolerujące herbicydy; odporna na owady kukurydza, bawełna, ziemniak i ryż; oraz odporne na wirusy kabaczek i papaja. Dzięki inżynierii genetycznej do rośliny można wprowadzić lub połączyć więcej niż jedną cechę. W handlu dostępne są również uprawy transgeniczne o połączonych cechach. Należą do nich kukurydza, soja i bawełna odporne na herbicydy i owady.

Nowe i przyszłe inicjatywy w inżynierii genetycznej upraw

Do tej pory komercyjne uprawy genetycznie zmodyfikowane przyniosły korzyści w produkcji roślinnej, ale w przygotowaniu jest również szereg produktów, które będą miały bardziej bezpośredni wkład w jakość żywności, korzyści dla środowiska, produkcję farmaceutyczną i uprawy nieżywnościowe. Przykłady takich produktów obejmują między innymi: biotechnologiczny ryż o potrójnym stosie cech, dający lepsze plony w warunkach stresu abiotycznego, biotechnologiczne kasztanowce odporne na zarazę kasztanowca, biotechnologiczne cytrusy odporne na zielenienie, ziemniaki wzbogacone beta-karotenem, sorgo biofortyfikowane, banany odporne na więdnięcie bakteryjne (Xanthomonas), banany odporne na wirusa Bunchytop, pszenica odporna na owady. 2003. Future Developments in Crop Biotechnology. 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. Ministerstwo Spraw Zagranicznych, Dania.

Desmond, S. i T. Nicholl. 1994. An Introduction to Genetic Engineering. Cambridge University Press.

Giddings, G., G. Allison, D. Brooks, and A. Carter. 2000. Transgenic Plant as Factories for Biopharmaceuticals. Nature Biotechnology 18: 1151-1155.

Goto, F., R. Yoshihara, N. Shigemoto, S. Toki, and F. Takaiwa. 1999. Iron Fortification of Rice Seed by the Soybean Ferritin Gene. Nature Biotechnology 17: 282-286.

ISAAA. 2018. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2018. ISAAA Brief No. 54. ISAAA: Ithaca, NY.

Lopez-Bucio, J., O. M. de la Vega, A. Guevara-Garcia, and L. Herera-Estrella. 2000. Enhanced Phosphorous Uptake in Transgenic Tobacco Plants that Overproduce Citrate. Nature Biotechnology 18: 450-453.

Robinson, C. 2001. Genetic Modification Technology and Food: Consumer Health and Safety. ILSI Europe Concise Monograph Series. http://www.ilsi.org/Europe/Publications/C2002Gen_Mod.pdf.

University of Nebraska – Lincoln. 2015. Overview of Crops Genetic Engineering. http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?
idinformationmodule=957879329&topicorder=8&maxto=9.

Ye, X., S. Al-Babili, A. Kloti, J. Zhang, P. Lucca, and I. Potrykus. 2000. Engineering the Provitamin A (b-carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotinoid-Free) Rice Endosperm. Science 287(5451): 303-305..

*Updated March 2020

.