stringtranslate.com

Генетически модифицированное растение

Генетически модифицированные растения были созданы для научных исследований, для создания новых цветов у растений, доставки вакцин и создания улучшенных культур. Геномы растений могут быть созданы физическими методами или с использованием Agrobacterium для доставки последовательностей, размещенных в бинарных векторах T-ДНК . Многие растительные клетки являются плюрипотентными , что означает, что одна клетка из зрелого растения может быть собрана, а затем при правильных условиях сформирована в новое растение. Эта способность чаще всего используется генными инженерами путем отбора клеток, которые могут быть успешно трансформированы во взрослое растение, которое затем может быть выращено в несколько новых растений, содержащих трансген в каждой клетке, с помощью процесса, известного как культура ткани . [1]

Исследовать

Большая часть достижений в области генной инженерии произошла из экспериментов с табаком . Основные достижения в области культуры тканей и клеточных механизмов растений для широкого спектра растений произошли из систем, разработанных на табаке. [2] Это было первое растение, которое было генетически модифицировано, и считается модельным организмом не только для генной инженерии, но и для ряда других областей. [3] Таким образом, трансгенные инструменты и процедуры хорошо известны, что делает его одним из самых простых растений для трансформации. [4] Еще одним важным модельным организмом, имеющим отношение к генной инженерии, является Arabidopsis thaliana . Его небольшой геном и короткий жизненный цикл облегчают манипуляции, и он содержит много гомологов важных видов сельскохозяйственных культур. [5] Это было первое растение, которое было секвенировано , имеет обильные биоинформационные ресурсы и может быть трансформировано простым погружением цветка в трансформированный раствор Agrobacterium . [6]

В исследованиях растения конструируются, чтобы помочь обнаружить функции определенных генов. Самый простой способ сделать это — удалить ген и посмотреть, какой фенотип развивается по сравнению с формой дикого типа . Любые различия, возможно, являются результатом отсутствующего гена. В отличие от мутагенеза , генная инженерия позволяет целенаправленно удалять, не нарушая другие гены в организме. [1] Некоторые гены экспрессируются только в определенной ткани, поэтому гены-репортеры, такие как GUS , могут быть прикреплены к интересующему гену, позволяя визуализировать местоположение. [7] Другие способы проверить ген — это слегка изменить его, а затем вернуть его растению и посмотреть, по-прежнему ли он оказывает тот же эффект на фенотип. Другие стратегии включают присоединение гена к сильному промотору и наблюдение за тем, что происходит при его сверхэкспрессии, заставляя ген экспрессироваться в другом месте или на других стадиях развития . [1]

Декоративный

Роза Сантори "синяя"
Кенийцы изучают устойчивую к насекомым трансгенную кукурузу Bt

Некоторые генетически модифицированные растения являются чисто декоративными . Они модифицированы для цвета цветка, аромата, формы цветка и архитектуры растения. [8] Первые генетически модифицированные декоративные растения коммерциализировали измененный цвет. [9] Гвоздики были выпущены в 1997 году, а самый популярный генетически модифицированный организм, голубая роза (на самом деле лавандовая или лиловая), был создан в 2004 году. [10] Розы продаются в Японии, Соединенных Штатах и ​​Канаде. [11] [12] Другие генетически модифицированные декоративные растения включают хризантему и петунию . [8] Помимо повышения эстетической ценности, есть планы по разработке декоративных растений, которые используют меньше воды или устойчивы к холоду, что позволит выращивать их за пределами их естественной среды. [13]

Сохранение

Было предложено генетически модифицировать некоторые виды растений, находящихся под угрозой исчезновения, чтобы они стали устойчивыми к инвазивным растениям и болезням, таким как изумрудная ясеневая златка в Северной Америке и грибковое заболевание Ceratocystis platani на европейских платанах . [14] Вирус кольцевой пятнистости папайи (PRSV) опустошал деревья папайи на Гавайях в двадцатом веке, пока трансгенным растениям папайи не была придана устойчивость, полученная от патогена. [15] Однако генетическая модификация для сохранения растений остается в основном спекулятивной. Уникальная проблема заключается в том, что трансгенный вид может больше не иметь достаточного сходства с исходным видом, чтобы действительно утверждать, что исходный вид сохраняется. Вместо этого трансгенный вид может быть генетически достаточно другим, чтобы считаться новым видом, тем самым уменьшая ценность генетической модификации для сохранения. [14]

Урожай

Генетически модифицированные культуры — это генетически модифицированные растения, которые используются в сельском хозяйстве . Первые культуры используются в пищу животным или человеку и обеспечивают устойчивость к определенным вредителям, болезням, условиям окружающей среды, порче или химической обработке (например, устойчивость к гербициду ). [16] Второе поколение культур направлено на улучшение качества, часто путем изменения профиля питательных веществ . Генетически модифицированные культуры третьего поколения могут использоваться в непищевых целях, включая производство фармацевтических препаратов , биотоплива и других промышленно полезных товаров, а также для биоремедиации . [17]

Существует три основные цели сельскохозяйственного прогресса: увеличение производства, улучшение условий для сельскохозяйственных рабочих и устойчивость . ГМ-культуры способствуют улучшению урожаев за счет снижения давления насекомых, повышения питательной ценности и устойчивости к различным абиотическим стрессам . Несмотря на этот потенциал, по состоянию на 2018 год коммерческие культуры ограничиваются в основном товарными культурами, такими как хлопок, соя, кукуруза и рапс, а подавляющее большинство введенных признаков обеспечивают либо устойчивость к гербицидам, либо устойчивость к насекомым. [17] Соевые бобы составляли половину всех генетически модифицированных культур, посаженных в 2014 году. [18] Принятие их фермерами было быстрым: в период с 1996 по 2013 год общая площадь земель, возделываемых с использованием ГМ-культур, увеличилась в 100 раз, с 17 000 квадратных километров (4 200 000 акров) до 1 750 000 км 2 (432 миллиона акров). [19] Географически распространение было очень неравномерным: сильный рост наблюдался в Америке и некоторых частях Азии, а в Европе и Африке — незначительный. [17] Социально-экономическое распространение было более равномерным: в 2013 году около 54% ​​мировых ГМ-культур выращивалось в развивающихся странах. [19]

Еда

Большинство ГМ-культур были модифицированы для обеспечения устойчивости к выбранным гербицидам, обычно на основе глифосата или глюфосината . Генетически модифицированные культуры, разработанные для устойчивости к гербицидам, теперь более доступны, чем традиционно выведенные устойчивые сорта; [20] в США 93% соевых бобов и большая часть выращиваемой ГМ-кукурузы устойчивы к глифосату. [21] Большинство имеющихся в настоящее время генов, используемых для создания устойчивости к насекомым, происходят из бактерии Bacillus thuringiensis . Большинство из них находятся в форме генов дельта-эндотоксина, известных как белки cry, в то время как некоторые используют гены, кодирующие вегетативные инсектицидные белки. [22] Единственный ген, коммерчески используемый для обеспечения защиты от насекомых, который не происходит от B. thuringiensis, — это ингибитор трипсина коровьего гороха (CpTI). CpTI был впервые одобрен для использования на хлопке в 1999 году и в настоящее время проходит испытания на рисе. [23] [24] Менее одного процента ГМ-культур содержали другие черты, которые включают обеспечение устойчивости к вирусам, замедление старения, изменение цвета цветков и изменение состава растений. [18] Золотой рис является самой известной ГМ-культурой, нацеленной на повышение питательной ценности. Он был разработан с тремя генами, которые биосинтезируют бета-каротин , предшественник витамина А , в съедобных частях риса. [25] Он предназначен для производства обогащенной пищи для выращивания и потребления в районах с дефицитом диетического витамина А. [ 26] дефицит, который, по оценкам, ежегодно убивает 670 000 детей в возрасте до 5 лет [27] и вызывает еще 500 000 случаев необратимой детской слепоты. [28] Первоначальный золотой рис производил 1,6 мкг/г каротиноидов , а дальнейшее развитие увеличило это количество в 23 раза. [29] В 2018 году он получил первые разрешения на использование в качестве пищи. [30]

Биофармацевтика

Растения и растительные клетки были генетически модифицированы для производства биофармацевтических препаратов в биореакторах , процесс, известный как фарминг . Работа была проделана с ряской Lemna minor , [31] водорослями Chlamydomonas reinhardtii [32] и мхом Physcomitrella patens . [33] [34] Производимые биофармацевтические препараты включают цитокины , гормоны , антитела , ферменты и вакцины, большинство из которых накапливаются в семенах растений. Многие лекарства также содержат натуральные растительные ингредиенты, а пути, которые приводят к их производству, были генетически изменены или перенесены на другие виды растений для производства большего объема и лучших продуктов. [ 35] Другими вариантами для биореакторов являются биополимеры [36] и биотопливо . [37] В отличие от бактерий, растения могут модифицировать белки посттрансляционно , что позволяет им производить более сложные молекулы. Они также представляют меньший риск заражения. [38] Терапевтические препараты были выращены в трансгенных клетках моркови и табака, [39] включая лекарственное лечение болезни Гоше . [40]

Вакцина

Производство и хранение вакцин имеет большой потенциал в трансгенных растениях. Вакцины дороги в производстве, транспортировке и применении, поэтому наличие системы, которая могла бы производить их локально, обеспечило бы больший доступ к более бедным и развивающимся районам. [35] Помимо очистки вакцин, экспрессируемых в растениях, также возможно производить съедобные вакцины в растениях. Съедобные вакцины стимулируют иммунную систему при приеме внутрь для защиты от определенных заболеваний. Хранение в растениях снижает долгосрочные затраты, поскольку они могут распространяться без необходимости холодного хранения, не нуждаются в очистке и обладают долгосрочной стабильностью. Кроме того, размещение в растительных клетках обеспечивает некоторую защиту от кишечных кислот при пищеварении; стоимость разработки, регулирования и содержания трансгенных растений высока, что приводит к тому, что большинство современных разработок вакцин на растительной основе применяются в ветеринарии , где контроль не такой строгий. [41]

Ссылки

  1. ^ abc Walter P, Roberts K, Raff M, Lewis J, Johnson A, Alberts B (2002). «Изучение экспрессии и функции генов». Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Garland Science.
  2. ^ Ганапати ТР, Супрасанна П, Рао ПС, Бапат ВА (2004). «Табак (Nicotiana tabacum L.) — модельная система для вмешательств в культуру тканей и генной инженерии». Индийский журнал биотехнологии . 3 : 171–184.
  3. ^ Koszowski B, Goniewicz ML, Czogała J, Sobczak A (2007). "[Генетически модифицированный табак — шанс или угроза для курильщиков?]" [Генетически модифицированный табак — шанс или угроза для курильщиков?] (PDF) . Przeglad Lekarski (на польском языке). 64 (10): 908–12. PMID  18409340. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-01-23 . Получено 2018-12-24 .
  4. ^ Mou B, Scorza R (2011-06-15). Трансгенные садовые культуры: проблемы и возможности . CRC Press. стр. 104. ISBN 978-1-4200-9379-7.
  5. ^ Гепштейн С., Хорвиц Б.А. (1995). «Влияние исследований Arabidopsis на биотехнологию растений». Biotechnology Advances . 13 (3): 403–14. doi :10.1016/0734-9750(95)02003-L. PMID  14536094.
  6. ^ Холланд CK, Джез ДжМ (октябрь 2018 г.). «Арабидопсис: исходный растительный организм-шасси». Plant Cell Reports . 37 (10): 1359–1366. doi :10.1007/s00299-018-2286-5. PMID  29663032. S2CID  4946167.
  7. ^ Jefferson RA, Kavanagh TA, Bevan MW (декабрь 1987 г.). «GUS-слияния: бета-глюкуронидаза как чувствительный и универсальный маркер слияния генов у высших растений». The EMBO Journal . 6 (13): 3901–7. doi :10.1002/j.1460-2075.1987.tb02730.x. PMC 553867 . PMID  3327686. 
  8. ^ ab "Биотехнология в декоративных растениях - Pocket K". www.isaaa.org . Получено 17.12.2018 .
  9. ^ Чандлер С.Ф., Санчес С. (октябрь 2012 г.). «Генетическая модификация; разработка трансгенных декоративных сортов растений». Plant Biotechnology Journal . 10 (8): 891–903. doi : 10.1111/j.1467-7652.2012.00693.x . PMID  22537268.
  10. ^ Носовиц Д. (15 сентября 2011 г.). «Suntory создает мифическую синюю (или, эм, лавандовую) розу». Popular Science . Получено 30 августа 2012 г.
  11. ^ "Suntory будет продавать синие розы за рубежом". The Japan Times . 11 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала 22 ноября 2012 г. Получено 30 августа 2012 г.
  12. ^ «Первая в мире «синяя» роза скоро появится в продаже в США». Wired . 14 сентября 2011 г.
  13. ^ "Зеленая генная инженерия теперь завоевывает и рынок декоративных растений". www.biooekonomie-bw.de . Архивировано из оригинала 2019-04-03 . Получено 2018-12-17 .
  14. ^ ab Adams JM, Piovesan G, Strauss S, Brown S (2002-08-01). «Дело в пользу генной инженерии местных и ландшафтных деревьев против интродуцированных вредителей и болезней». Conservation Biology . 16 (4): 874–79. doi :10.1046/j.1523-1739.2002.00523.x. S2CID  86697592.
  15. ^ Трипати С., Сузуки Дж., Гонсалвес Д. (2007). «Разработка генетически модифицированной устойчивой папайи к вирусу кольцевой пятнистости папайи своевременно: всеобъемлющий и успешный подход». Взаимодействие растений и патогенов . Методы в молекулярной биологии. Т. 354. С. 197–240. doi :10.1385/1-59259-966-4:197. ISBN 978-1-59259-966-0. PMID  17172756.
  16. ^ Саркар, Снехасиш; Рой, Соури; Гош, Судип К. (18 мая 2021 г.). «Разработка трансгенного голубиного гороха без маркеров (Cajanus cajan), экспрессирующего инсектицидный белок стручковой моли». Scientific Reports . 11 (1): 10543. Bibcode :2021NatSR..1110543S. doi :10.1038/s41598-021-90050-8. ISSN  2045-2322. PMC 8131364 . PMID  34007007. 
  17. ^ abc Qaim, Matin (2016-04-29). "Введение". Генетически модифицированные культуры и развитие сельского хозяйства . Springer. стр. 1–10. ISBN 9781137405722.
  18. ^ ab "Глобальный статус коммерциализированных биотехнологических/ГМ-культур: 2014 - ISAAA Brief 49-2014". ISAAA.org . Получено 15 сентября 2016 г.
  19. ^ ab Краткое изложение годового отчета ISAAA за 2013 г., Глобальный статус коммерциализированных биотехнологических / ГМ-культур: ISAAA Brief 46-2013, дата обращения 6 августа 2014 г.
  20. ^ Darmency H (август 2013 г.). «Плейотропные эффекты генов устойчивости к гербицидам на урожайность: обзор». Pest Management Science . 69 (8): 897–904. doi :10.1002/ps.3522. PMID  23457026.
  21. ^ Green JM (сентябрь 2014 г.). «Текущее состояние гербицидов в устойчивых к гербицидам культурах». Pest Management Science . 70 (9): 1351–7. doi :10.1002/ps.3727. PMID  24446395.
  22. ^ Fleischer SJ, Hutchison WD, Naranjo SE (2014). «Устойчивое управление культурами, устойчивыми к насекомым». Биотехнология растений . С. 115–127. doi :10.1007/978-3-319-06892-3_10. ISBN 978-3-319-06891-6.
  23. ^ "SGK321". База данных одобрения GM . ISAAA.org . Получено 27.04.2017 .
  24. ^ Qiu J (октябрь 2008 г.). «Готов ли Китай к ГМ-рису?». Nature . 455 (7215): 850–2. doi : 10.1038/455850a . PMID  18923484.
  25. ^ Ye X, Al-Babili S, Klöti A, Zhang J, Lucca P, Beyer P, Potrykus I (январь 2000 г.). «Инженерия биосинтетического пути провитамина А (бета-каротина) в эндосперм риса (без каротиноидов)». Science . 287 (5451): 303–5. Bibcode :2000Sci...287..303Y. doi :10.1126/science.287.5451.303. PMID  10634784. S2CID  40258379.
  26. ^ Frist B (21 ноября 2006 г.). «Герой „зеленой революции“». Washington Times . Одна из существующих культур, генетически модифицированный «золотой рис», который вырабатывает витамин А, уже обещает огромные перспективы для снижения слепоты и карликовости, возникающих из-за дефицита витамина А в рационе.
  27. ^ Black RE, Allen LH, Bhutta ZA, Caulfield LE, de Onis M, Ezzati M и др. (январь 2008 г.). «Недоедание у матерей и детей: глобальные и региональные воздействия и последствия для здоровья». Lancet . 371 (9608): 243–60. doi :10.1016/S0140-6736(07)61690-0. PMID  18207566. S2CID  3910132.
  28. ^ Хамфри Дж. Х., Уэст К. П., Соммер А. (1992). «Дефицит витамина А и относимая смертность среди детей в возрасте до 5 лет». Бюллетень Всемирной организации здравоохранения . 70 (2): 225–32. PMC 2393289. PMID  1600583 . 
  29. ^ Paine JA, Shipton CA, Chaggar S, Howells RM, Kennedy MJ, Vernon G и др. (апрель 2005 г.). «Улучшение пищевой ценности золотого риса за счет увеличения содержания провитамина А». Nature Biotechnology . 23 (4): 482–7. doi :10.1038/nbt1082. PMID  15793573. S2CID  632005.
  30. ^ "US FDA одобряет ГМО-золотой рис как безопасный для употребления в пищу". Genetic Literacy Project . 2018-05-29 . Получено 2018-05-30 .
  31. ^ Gasdaska JR, Spencer D, Dickey L (март 2003 г.). «Преимущества производства терапевтического белка в водном растении Lemna». BioProcessing Journal . 2 (2): 49–56. doi :10.12665/J22.Gasdaska.[ постоянная мертвая ссылка ]
  32. ^ (10 декабря 2012 г.) «Модификация водорослей для создания сложного противоракового «дизайнерского» препарата» PhysOrg , получено 15 апреля 2013 г.
  33. ^ Büttner-Mainik A, Parsons J, Jérôme H, Hartmann A, Lamer S, Schaaf A, et al. (апрель 2011 г.). «Производство биологически активного рекомбинантного человеческого фактора H в Physcomitrella». Plant Biotechnology Journal . 9 (3): 373–83. doi : 10.1111/j.1467-7652.2010.00552.x . PMID  20723134.
  34. ^ Baur A, Reski R, Gorr G (май 2005 г.). «Улучшенное восстановление секретируемого рекомбинантного человеческого фактора роста с использованием стабилизирующих добавок и путем коэкспрессии человеческого сывороточного альбумина во мхе Physcomitrella patens». Plant Biotechnology Journal . 3 (3): 331–40. doi :10.1111/j.1467-7652.2005.00127.x. PMID  17129315.
  35. ^ ab Hammond J, McGarvey P, Yusibov V (2012-12-06). Биотехнология растений: новые продукты и приложения . Springer Science & Business Media. стр. 7–8. ISBN 9783642602344.
  36. ^ Börnke F, Broer I (июнь 2010 г.). «Подгонка метаболизма растений для производства новых полимеров и платформенных химикатов». Current Opinion in Plant Biology . 13 (3): 354–62. doi :10.1016/j.pbi.2010.01.005. PMID  20171137.
  37. ^ Lehr F, Posten C (июнь 2009). «Закрытые фотобиореакторы как инструменты для производства биотоплива». Current Opinion in Biotechnology . 20 (3): 280–5. doi :10.1016/j.copbio.2009.04.004. PMID  19501503.
  38. ^ "UNL's AgBiosafety for Educators". agbiosafety.unl.edu . Получено 18.12.2018 .
  39. ^ Protalix technology platform Архивировано 27 октября 2012 г. на Wayback Machine
  40. ↑ Гали Вайнреб и Коби Йешаяхоу для Globes 2 мая 2012 г. «FDA одобряет лечение Гоше препаратом Protalix». Архивировано 29 мая 2013 г. в Wayback Machine .
  41. ^ Concha C, Cañas R, Macuer J, Torres MJ, Herrada AA, Jamett F, Ibáñez C (май 2017 г.). «Профилактика заболеваний: возможность расширить применение съедобных растительных вакцин?». Вакцины . 5 (2): 14. doi : 10.3390/vaccines5020014 . PMC 5492011. PMID 28556800  .