Pocket K nr. 17: Ingineria genetică și culturile modificate genetic

Pocket K nr. 17: Ingineria genetică și culturile modificate genetic

În ultimii 50 de ani, domeniul ingineriei genetice s-a dezvoltat rapid datorită unei mai bune înțelegeri a acidului dezoxiribonucleic (ADN) ca fiind codul chimic cu dublă spirală din care sunt făcute genele. Termenul de inginerie genetică este utilizat pentru a descrie procesul prin care constituția genetică a unui organism poate fi modificată cu ajutorul „tehnologiei ADN recombinant”. Aceasta implică utilizarea de instrumente de laborator pentru a insera, modifica sau tăia bucăți de ADN care conțin una sau mai multe gene de interes.

Dezvoltarea de soiuri de plante care să exprime caracteristici agronomice bune este scopul final al amelioratorilor de plante. Cu toate acestea, în cazul ameliorării convenționale a plantelor, există puține sau chiar nici o garanție de a obține o anumită combinație de gene din milioanele de încrucișări generate. Genele nedorite pot fi transferate împreună cu genele dezirabile; sau, în timp ce o genă dezirabilă este obținută, o alta este pierdută, deoarece genele ambilor părinți sunt amestecate și reasortate mai mult sau mai puțin aleatoriu în descendenți. Aceste probleme limitează îmbunătățirile pe care le pot obține amelioratorii de plante.

În schimb, ingineria genetică permite transferul direct al uneia sau doar a câtorva gene de interes, între organisme înrudite fie îndeaproape, fie la distanță, pentru a obține trăsătura agronomică dorită (figura 1). Nu toate tehnicile de inginerie genetică implică inserția de ADN din alte organisme. De asemenea, plantele pot fi modificate prin eliminarea sau dezactivarea propriilor gene particulare.

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

Genele sunt molecule de ADN care codifică trăsături sau caracteristici distincte. De exemplu, o anumită secvență genetică este responsabilă pentru culoarea unei flori sau pentru capacitatea unei plante de a lupta împotriva unei boli sau de a se dezvolta în medii extreme.

Propriul inginer genetic al naturii

„Împărtășirea” ADN-ului între formele vii este bine documentată ca fenomen natural. Timp de mii de ani, genele au trecut de la un organism la altul. De exemplu, Agrobacterium tumefaciens, o bacterie din sol cunoscută ca fiind „inginerul genetic al naturii”, are capacitatea naturală de a modifica genetic plantele. Aceasta provoacă boala „crown gall” la o gamă largă de plante cu frunze largi, cum ar fi mărul, perele, piersicul, cireșul, migdalul, zmeura și trandafirii. Boala își trage numele de la umflăturile mari asemănătoare unor tumori (gale) care apar de obicei în coroana plantei, chiar deasupra nivelului solului. Practic, bacteria transferă o parte din ADN-ul său la plantă, iar acest ADN se integrează în genomul plantei, provocând producerea de tumori și modificări asociate în metabolismul plantei.

Aplicarea ingineriei genetice în producția vegetală

Tehnicile de inginerie genetică sunt utilizate numai atunci când toate celelalte tehnici au fost epuizate, adică.adică atunci când trăsătura care urmează să fie introdusă nu este prezentă în germoplasma culturii; trăsătura este foarte dificil de îmbunătățit prin metode convenționale de ameliorare; și atunci când va dura foarte mult timp pentru a introduce și/sau îmbunătăți o astfel de trăsătură în cultură prin metode convenționale de ameliorare (a se vedea figura 2). Culturile dezvoltate prin inginerie genetică sunt cunoscute sub numele de culturi transgenice sau culturi modificate genetic (GM).

Înmulțirea modernă a plantelor este un proces multidisciplinar și coordonat în care sunt utilizate și integrate un număr mare de instrumente și elemente ale tehnicilor de ameliorare convenționale, ale bioinformaticii, ale geneticii moleculare, ale biologiei moleculare și ale ingineriei genetice.

Dezvoltarea culturilor transgenice

Deși există multe tehnici diverse și complexe implicate în ingineria genetică, principiile sale de bază sunt rezonabil de simple. Există cinci etape majore în dezvoltarea unei culturi modificate genetic. Dar, pentru fiecare etapă, este foarte important să se cunoască mecanismele biochimice și fiziologice de acțiune, reglarea expresiei genice și siguranța genei și a produsului genetic care urmează să fie utilizat. Chiar înainte ca o cultură modificată genetic să fie pusă la dispoziție pentru utilizare comercială, aceasta trebuie să treacă prin proceduri riguroase de siguranță și de evaluare a riscurilor.

Prima etapă este extragerea ADN-ului din organismul despre care se știe că are trăsătura de interes. Al doilea pas este clonarea genei, care va izola gena de interes din întregul ADN extras, urmată de producerea în masă a genei clonate într-o celulă gazdă. Odată clonată, gena de interes este proiectată și împachetată astfel încât să poată fi controlată și exprimată în mod corespunzător odată ce se află în interiorul plantei gazdă. Gena modificată va fi apoi produsă în masă într-o celulă gazdă pentru a realiza mii de copii. Atunci când pachetul de gene este gata, acesta poate fi introdus în celulele plantei modificate printr-un proces numit transformare. Cele mai frecvente metode utilizate pentru a introduce pachetul de gene în celulele plantelor includ transformarea biolistică (cu ajutorul unui pistol de gene) sau transformarea mediată de Agrobacterium. Odată ce gena inserată este stabilă, moștenită și exprimată în generațiile următoare, atunci planta este considerată transgenică. Reîncrucișarea este etapa finală a procesului de inginerie genetică, în care cultura transgenică este încrucișată cu un soi care posedă trăsături agronomice importante și selectată pentru a obține plante de înaltă calitate care exprimă gena inserată în modul dorit.

Lungimea de timp în dezvoltarea unei plante transgenice depinde de genă, de specia de cultură, de resursele disponibile și de aprobarea autorităților de reglementare. Poate dura între 6 și 15 ani până când un nou hibrid transgenic este gata pentru a fi lansat în comerț.

Culturi disponibile pe plan comercial îmbunătățite prin inginerie genetică

Culturile transgenice au fost plantate în diferite țări timp de douăzeci de ani, începând cu 1996. Aproximativ 191,7 milioane de hectare au fost plantate în 2018 cu culturi transgenice cu o valoare de piață ridicată, cum ar fi soia, porumbul, bumbacul și canola tolerante la erbicide; porumb, bumbac, cartofi și orez rezistente la insecte; și dovleac și papaya rezistente la viruși. Cu ajutorul ingineriei genetice, mai multe trăsături pot fi încorporate sau stivuite într-o plantă. Culturile transgenice cu trăsături combinate sunt, de asemenea, disponibile în comerț. Printre acestea se numără porumbul, soia și bumbacul tolerant la erbicide și rezistent la insecte.

Inițiative noi și viitoare în domeniul ingineriei genetice a culturilor

Până în prezent, culturile modificate genetic comerciale au adus beneficii în producția vegetală, dar există, de asemenea, o serie de produse în curs de realizare care vor avea contribuții mai directe la calitatea alimentelor, beneficii pentru mediu, producția farmaceutică și culturile nealimentare. Printre exemplele acestor produse se numără: orezul biotehnologic cu trăsătură triplă, cu un randament mai bun în condiții de stres abiotic, castanul biotehnologic cu rezistență la arsura castanului, citricele biotehnologice rezistente la înverzirea citricelor, cartoful îmbogățit cu betacaroten, sorgul biofortificat, banana rezistentă la ofilirea bacteriană (Xanthomonas), banana rezistentă la virusul Bunchytop, grâul rezistent la insecte, printre altele.

• Biotehnologia agricolă în Europa. 2003. Dezvoltări viitoare în biotehnologia culturilor. Document tematic 6. http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/life&chemistry/future.pdf.
• DANIDA. 2002. Evaluarea potențialelor și a constrângerilor pentru dezvoltarea și utilizarea biotehnologiei plantelor în legătură cu ameliorarea plantelor și producția de culturi în țările în curs de dezvoltare. Ministerul Afacerilor Externe, Danemarca.
• Desmond, S. și T. Nicholl. 1994. O introducere în ingineria genetică. Cambridge University Press.
• Giddings, G., G. Allison, D. Brooks și A. Carter. 2000. Transgenic Plant as Factories for Biopharmaceuticals (Plantele transgenice ca fabrici de produse biofarmaceutice). Nature Biotechnology 18: 1151-1155.
• Goto, F., R. Yoshihara, N. Shigemoto, S. Toki, și F. Takaiwa. 1999. Fortificarea cu fier a semințelor de orez prin gena feritinei din soia. Nature Biotechnology 17: 282-286.
• ISAAA. 2018. Situația globală a culturilor biotehnologice / modificate genetic comercializate: 2018. ISAAA Brief nr. 54. ISAAA: Ithaca, NY.
• Lopez-Bucio, J., O. M. de la Vega, A. Guevara-Garcia și L. Herera-Estrella. 2000. Absorbția sporită a fosforului în plantele de tutun transgenice care supraproduc citrat. Nature Biotechnology 18: 450-453.
• Robinson, C. 2001. Tehnologia modificării genetice și alimentele: Sănătatea și siguranța consumatorilor. ILSI Europe Concise Monograph Series. .
• Universitatea din 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, și I. Potrykus. 2000. Engineering the Provitamin A (b-carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotinoid-Free) Rice Endosperm. Science 287(5451): 303-305..

*actualizat în martie 2020

.