11.6: Трансгенні рослини

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5840

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Прогрес досягається на декількох фронтах, щоб ввести нові ознаки в рослини за допомогою технології рекомбінантної ДНК. Генетичні маніпуляції рослинами тривають ще з самого початку сільського господарства, але до недавнього часу це вимагало повільного і виснажливого процесу схрещування сортів. Генна інженерія обіцяє прискорити процес і розширити сферу того, що можна зробити.

Існує кілька методів введення генів в рослини, включаючи зараження рослинних клітин плазмідами як векторами, що несуть потрібний ген і фізично знімають мікроскопічні гранули, що містять ген безпосередньо в клітину. На відміну від тварин, немає реальної різниці між соматичними клітинами і статевими клітинами. Соматичні тканини рослин (наприклад, кореневі клітини, вирощені в культурі) можуть трансформуватися в лабораторії з потрібним геном і можуть перерости в зрілі рослини з квітами. Якщо все піде добре, трансген буде включений в пилок і яйцеклітини і передається наступному поколінню. У цьому відношенні легше виробляти трансгенні рослини, ніж трансгенні тварини.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Генний пістолет використовується для ін'єкції клітин з генетичною інформацією, він також відомий як система доставки біолістичних частинок. Генні гармати можуть бути ефективно використані на більшості клітин, але в основному використовуються на рослинних клітині. Крок 1 Апарат генної гармати готовий до стрільби. Крок 2. Коли пістолет включений і гелій протікає наскрізь. Крок 3 Гелій переміщує диск з частинками, покритими ДНК, до екрану. Крок 4 Гелій проштовхнув частинки, що рухаються через екран і рухаються до клітини-мішені, щоб перетворити клітини. (КС-СА-БАЙ-4.0; Рейчел Брукс 15)

Досягнення

Покращена харчова якість

Мелений рис є основним продуктом харчування для значної частини людського населення світу. Фрезерний рис видаляє лушпиння і будь-який бета-каротин, що міститься в ньому. Бета-каротин є попередником вітаміну А, тому не дивно, що дефіцит вітаміну А широко поширений, особливо в країнах Південно-Східної Азії. Синтез бета-каротину вимагає ряду ферментативно-каталізованих етапів. У січні 2000 року група європейських дослідників повідомила, що їм вдалося включити три трансгени в рис, що дозволило рослинам виробляти бета-каротин у своєму ендоспермі.

Стійкість до комах

Bacillus thuringiensis - бактерія, патогенна для ряду комах-шкідників. Його летальний ефект опосередкований білковим токсином, який він виробляє. За допомогою рекомбінантних методів ДНК ген токсину може бути введений безпосередньо в геном рослини, де він виражений і забезпечує захист від комах-шкідників рослини.

Стійкість до хвороб

Гени, що забезпечують стійкість до вірусів рослин, успішно впроваджені в такі сільськогосподарські рослини, як тютюн, томати, картопля.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Рослини томатів, заражені вірусом тютюнової мозаїки (який атакує рослини томатів, а також тютюн). Рослини в задньому ряду несуть інтродукований ген, що надає стійкість вірусу. Стійкі рослини дали втричі більше плодів, ніж чутливі рослини, і такі ж, як контрольні рослини.

Стійкість до гербіцидів

Були підняті питання щодо безпеки - як для людини, так і для навколишнього середовища - деяких з широколистяних знищувачів бур'янів, таких як 2,4-D. Альтернативи доступні, але вони можуть пошкодити врожай, а також бур'яни, що ростуть в ньому. Однак гени стійкості до деяких нових гербіцидів були введені в деякі сільськогосподарські рослини і дозволяють їм процвітати навіть під впливом вбивці бур'янів.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

альт

Вплив гербіциду бромоксинілу на рослини тютюну трансформується бактеріальним геном, продукт якого розщеплює бромоксиніл (верхній ряд) і контрольні рослини (нижній ряд). «Розпилювальні заготовки» рослини обробляли тією ж розпилювальною сумішшю, що й інші, крім бромоксинілу, залишали поза увагою. (Люб'язно надано Calgene, Девіс, Каліфорнія)

Толерантність до солі

Велика частина зрошуваних сільськогосподарських угідь у світі настільки навантажена сіллю, що її не можна використовувати для вирощування найважливіших культур. Однак дослідники з кампуса Каліфорнійського університету в Девісі створили трансгенні помідори, які добре ростуть в солоних ґрунтах. Трансген був високовираженим натрієвим/протонним антипортовим насосом, який секвестрував надлишок натрію у вакуолі клітин листя. У плодах не було накопичення натрію.

Гени «Термінатора»

Цей термін використовується (противниками практики) для трансгенів, що вводяться в сільськогосподарські рослини, щоб змусити їх виробляти стерильне насіння (і таким чином змусити фермера купувати свіже насіння на наступний сезон, а не рятувати насіння від поточного врожаю). Процес передбачає введення в рослину трьох трансгенів:

Ген, що кодує токсин, який є смертельним для розвитку насіння, але не для дозрівання насіння або рослини. Цей ген, як правило, неактивний через розтягнення ДНК, вставленої між ним і його промотором.
Ген, що кодує рекомбіназу - фермент, який може видалити спейсер в гені токсину, таким чином, дозволяючи бути експресованим.
Репресорний ген, білковий продукт якого зв'язується з промотором рекомбінази, зберігаючи його неактивним.

Як вони працюють

Коли насіння замочують (перед їх продажем) в розчині тетрацикліну

Синтез репресора блокується.
Ген рекомбінази стає активним.
Розпірка видаляється з гена токсину, і тепер його можна включити.

Оскільки токсин не шкодить зростаючій рослині - лише його розвиваючому насінню - урожай можна вирощувати нормально, за винятком того, що його насіння стерильні. Використання генів-термінаторів створило багато суперечок. Фермери - особливо ті, що розвиваються, хочуть зберегти насіння від свого врожаю, щоб посадити в наступному сезоні. Однак насіннєві компанії хочуть мати можливість продовжувати продавати насіння.

Трансгени кодування антисенс-РНК

Месенджерна РНК (мРНК) одножильна. Його послідовність нуклеотидів називається «сенсом», оскільки вона призводить до генного продукту (білка). У нормі його непарні нуклеотиди «зчитуються» трансферними РНК антикодонами, коли рибосома переходить до перекладу повідомлення.

Друга нитка називається антисенсовою ниткою, оскільки її послідовність нуклеотидів є доповненням сенсу повідомлення. Коли мРНК утворює дуплекс з комплементарною антисенсовою послідовністю РНК, трансляція блокується. Це може статися через те, що рибосома не може отримати доступ до нуклеотидів в мРНК або дуплексна РНК швидко деградується рибонуклеазами в клітині. За допомогою рекомбінантних методів ДНК в організм можуть вводитися синтетичні гени (ДНК), що кодують молекули антисенсивної РНК.

Біофармацевтичні препарати

Гени білків, які будуть використовуватися в медицині людини (і тварин), можуть бути введені в рослини і виражені ними.

Переваги:

Глікопротеїни можуть бути зроблені (бактерії, такі як кишкова паличка, не можуть цього зробити).
Практично необмежену кількість можна вирощувати на полі, а не в дорогих резервуарах для бродіння.
Це дозволяє уникнути небезпеки використання клітин ссавців та середовища культури тканин, які можуть бути заражені інфекційними агентами.
Очищення часто простіше.

Кукурудза є найбільш популярною рослиною для цих цілей, але використовуються також тютюн, помідори, картопля, клітини рису і моркви, вирощені в культурі тканин.

Деякі з білків, які були вироблені трансгенними рослинами сільськогосподарських культур:

гормон росту людини з геном, вставленим в ДНК хлоропласту тютюнових рослин
гуманізовані антитіла проти таких інфекційних агентів, як
- ВІЛ
- респіраторно-синцитіальний вірус (RSV)
- сперма (можливий контрацептив)
- вірус простого герпесу, ВПГ, причина «герпесу»
- Вірус Ебола, причина часто смертельної геморагічної лихоманки Ебола
білкові антигени, які будуть використовуватися у вакцині
- Приклад: специфічні для пацієнта протилімфомні (рак) вакцини. В-клітинні лімфоми є клонами злоякісних В-клітин, що експресують на їх поверхні унікальну молекулу антитіл. Створення тютюнових рослин трансгенними для РНК змінних (унікальних) областей цього антитіла дозволяє їм виробляти відповідний білок. Потім це може бути включено до вакцини в надії (ранні випробування виглядають багатообіцяючими) на підвищення імунної системи пацієнта - особливо клітинної гілки - для боротьби з раком.
інші корисні білки, такі як лізоцим і трипсин
Однак станом на квітень 2012 року єдиним білком, який отримав схвалення для вживання людиною, є глюкоцереброзидаза, фермент, якого не вистачає при хворобі Гоше. Синтезується трансгенними клітинами моркви, вирощеними в культурі тканин.

Суперечки

Деякі активно протистояли впровадженню трансгенних рослин в сільське господарство. Є ряд питань, які хвилюють опонентів. Одним з них є потенційний ризик трансгенів у комерційних культурах, що загрожують місцевим або нецільовим видам.

Приклади:

Ген стійкості до гербіцидів, наприклад, кукурудзи (кукурудзи), втечі у вид бур'янів може значно ускладнити контроль над бур'яном.
Ген Bt токсину, виражений у пилку, може загрожувати запилювачам, таким як медоносні бджоли.

На сьогоднішній день польові дослідження бавовни та кукурудзи Bt показують, що чисельність деяких нецільових комах дещо зменшується, але не так сильно, як на полах, оброблених інсектицидами.

Ще одне занепокоєння викликає ненавмисне змішування трансгенних культур з нетрансгенними харчовими культурами. Хоча це відбувалося періодично, немає абсолютно ніяких доказів загрози здоров'ю людини. Незважаючи на суперечки, фермери по всьому світу охоплюють трансгенні культури. В даний час у Сполучених Штатах понад 80% кукурудзи, сої та бавовни вирощені генетично модифіковані (ГМ) - головним чином для забезпечення стійкості до гербіциду гліфосату («Roundup Ready®»), що робить практичним обприскування врожаю гліфосатом для знищення бур'янів, не завдаючи шкоди врожаю та стійкості до напад комах (шляхом експресії токсину Bacillus thuringiensis).