stringtranslate.com

Генетически модифицированное растение

Генетически модифицированные растения были созданы для научных исследований, для создания новых цветов растений, создания вакцин и создания улучшенных сельскохозяйственных культур. Геномы растений можно сконструировать физическими методами или с помощью Agrobacterium для доставки последовательностей, содержащихся в бинарных векторах Т-ДНК . Многие растительные клетки являются плюрипотентными , а это означает, что одну клетку зрелого растения можно собрать, а затем при правильных условиях сформировать новое растение. Эта способность чаще всего используется генными инженерами путем отбора клеток, которые можно успешно трансформировать во взрослое растение, которое затем можно вырастить в множество новых растений, содержащих трансген в каждой клетке, с помощью процесса, известного как культура ткани . [1]

Исследовать

Большая часть достижений в области генной инженерии стала результатом экспериментов с табаком . Основные достижения в области культуры тканей и клеточных механизмов для широкого спектра растений произошли благодаря системам, разработанным в табаке. [2] Это было первое растение, созданное с помощью генной инженерии, и оно 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 для трансформации растений. [4] Еще одним важным модельным организмом, имеющим отношение к генной инженерии, является Arabidopsis thaliana . Его небольшой геном и короткий жизненный цикл позволяют легко манипулировать им, и он содержит множество гомологов важных видов сельскохозяйственных культур. [5] Это было первое секвенированное растение , обладающее богатыми биоинформационными ресурсами, и его можно трансформировать, просто окунув цветок в трансформированный раствор Agrobacterium . [6]

В исследованиях растения проектируются так, чтобы помочь раскрыть функции определенных генов. Самый простой способ сделать это — удалить ген и посмотреть, какой фенотип разовьется по сравнению с формой дикого типа . Любые различия, возможно, являются результатом отсутствия гена. В отличие от мутагенеза , генная инженерия позволяет целенаправленно удалять, не нарушая другие гены в организме. [1] Некоторые гены экспрессируются только в определенных тканях, поэтому репортерные гены, такие как GUS , могут быть прикреплены к интересующему гену, что позволяет визуализировать его местоположение. [7] Другой способ протестировать ген — слегка изменить его, а затем вернуть растению и посмотреть, оказывает ли он по-прежнему такое же влияние на фенотип. Другие стратегии включают прикрепление гена к сильному промотору и наблюдение за тем, что происходит, когда он чрезмерно экспрессируется, заставляя ген экспрессироваться в другом месте или на разных стадиях развития . [1]

Декоративный

Сантори "голубая" роза
Кенийцы исследуют устойчивую к насекомым трансгенную Bt- кукурузу

Некоторые генетически модифицированные растения являются чисто декоративными . Они модифицированы по цвету, аромату, форме цветка и архитектуре растений. [8] Первые генетически модифицированные декоративные растения стали коммерциализировать измененный цвет. [9] Гвоздики были выпущены в 1997 году, а самый популярный генетически модифицированный организм - голубая роза (на самом деле лавандовая или лиловая), созданная в 2004 году. [10] Розы продаются в Японии, США и Канаде. [11] [12] Другие генетически модифицированные декоративные растения включают хризантему и петунию . [8] Помимо повышения эстетической ценности, планируется разработать декоративные растения, которые потребляют меньше воды или устойчивы к холоду, что позволит их выращивать за пределами их естественной среды. [13]

Сохранение

Было предложено генетически модифицировать некоторые виды растений, находящиеся под угрозой исчезновения, чтобы сделать их устойчивыми к инвазивным растениям и болезням, например, изумрудную ясеневую точилку в Северной Америке и грибковое заболевание Ceratocystis platani у европейских платанов . [14] Вирус кольцевой пятнистости папайи (PRSV) опустошал деревья папайи на Гавайях в двадцатом веке, пока трансгенные растения папайи не приобрели устойчивость к патогену. [15] Однако генетическая модификация растений с целью сохранения остается в основном спекулятивной. Уникальная проблема заключается в том, что трансгенные виды могут больше не иметь достаточного сходства с исходным видом, чтобы действительно утверждать, что исходный вид сохраняется. Вместо этого трансгенные виды могут генетически отличаться настолько, что их можно будет считать новым видом, что снижает природоохранную ценность генетической модификации. [14]

Культуры

Генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры – это генетически модифицированные растения, которые используются в сельском хозяйстве . Первые предоставленные культуры используются в пищу животным или людям и обеспечивают устойчивость к определенным вредителям, болезням, условиям окружающей среды, порче или химической обработке (например, устойчивость к гербицидам ) . [16] Второе поколение сельскохозяйственных культур было направлено на улучшение качества, часто за счет изменения профиля питательных веществ . Генно-модифицированные культуры третьего поколения могут использоваться в непродовольственных целях, включая производство фармацевтических препаратов , биотоплива и других промышленно полезных товаров, а также для биоремедиации . [17]

Есть три основные цели развития сельского хозяйства; увеличение производства, улучшение условий для сельскохозяйственных рабочих и устойчивость . ГМ-культуры способствуют повышению урожайности 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, и подавляющее большинство интродуцированных 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 фермерами было быстрым: в период с 1996 по 2013 год общая площадь земель, возделываемых ГМ-культурами, 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, с сильным ростом в Америке и некоторых частях Азии и небольшим в Европе и Африке. [17] Его социально-экономическое распространение было более равномерным: в 2013 году примерно 54% ​​мировых ГМ-культур было выращено 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, устойчивые к гербицидам, теперь более доступны, чем устойчивые сорта, выведенные традиционным способом; [20] в США 93% соевых бобов и большая часть выращиваемой ГМ-кукурузы устойчивы к глифосату. [21] Большинство доступных в настоящее время генов, используемых для создания устойчивости к насекомым, происходят от бактерии Bacillus thuringiensis . Большинство из них имеют форму генов дельта-эндотоксина , известных как кри-белки, тогда как некоторые используют гены, кодирующие вегетативные инсектицидные белки. [22] Единственным геном, коммерчески используемым для обеспечения защиты от насекомых, который не происходит от B. thuringiensis, является 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 характеристики, в том числе обеспечение устойчивости к вирусам, задержку старения, изменение цвета цветов и изменение состава растений. [18] Золотой рис — наиболее известная ГМ-культура, целью которой является повышение питательной ценности. Он был создан с использованием трех генов, которые биосинтезируют бета-каротин , предшественник витамина А , в съедобных частях риса. [25] Он предназначен для производства обогащенных продуктов питания, которые будут выращиваться и потребляться в районах с нехваткой 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 в дальнейшем этот показатель увеличился в 23 раза. [29] В 2018 году он получил первые разрешения на использование в пищу. [30]

Биофармацевтика

Растения и растительные клетки были генетически модифицированы для производства биофармацевтических препаратов в биореакторах . Этот процесс известен как фарминг . Работа проводилась с ряской Lemnaminor [31] , водорослями Chlamydomonasrainhardtii [32] и мхом Physcomitrella patens . [33] [34] Производимые биофармацевтические препараты включают цитокины , гормоны , антитела , ферменты и вакцины, большая часть которых накапливается в семенах растений. Многие лекарства также содержат натуральные растительные ингредиенты, а пути их производства были генетически изменены или перенесены на другие виды растений для производства большего объема и более качественной продукции. [35] Другими вариантами биореакторов являются биополимеры [36] и биотопливо . [37] В отличие от бактерий, растения могут модифицировать белки посттрансляционно , что позволяет им создавать более сложные молекулы. Они также представляют меньший риск заражения. [38] В трансгенных клетках моркови и табака были культивированы терапевтические средства, [39] включая медикаментозное лечение болезни Гоше . [40]

Вакцина

Производство и хранение вакцин имеет большой потенциал с использованием трансгенных растений. Вакцины дорого производить, транспортировать и применять, поэтому наличие системы, которая могла бы производить их на местном уровне, позволило бы расширить доступ к более бедным и развивающимся регионам. [35] Помимо очистки вакцин, экспрессированных в растениях, также возможно производить съедобные вакцины из растений. Съедобные вакцины стимулируют иммунную систему при приеме внутрь для защиты от определенных заболеваний. Хранение в растениях снижает долгосрочные затраты, поскольку их можно распространять без необходимости хранения в холодильнике, они не требуют очистки 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 ветеринарной медицине , где контроль не такой строгий. [41]

Рекомендации

  1. ^ abc Уолтер П., Робертс К., Рафф М., Льюис Дж., Джонсон А., Альбертс Б. (2002). «Изучение экспрессии и функции генов». Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Гирляндная наука.
  2. ^ Ганапати Т.Р., Супрасанна П., Рао П.С., Бапат В.А. (2004). «Табак (Nicotiana tabacum L.) — модельная система для вмешательства в культуру тканей и генной инженерии». Индийский журнал биотехнологии . 3 : 171–184.
  3. ^ Кошовский Б., Гоневич М.Л., Чогала Дж., Собчак А. (2007). «[Генетически модифицированный табак — шанс или угроза для курильщиков?]» [Генетически модифицированный табак — шанс или угроза для курильщиков?] (PDF) . Пшеглад Лекарский (на польском языке). 64 (10): 908–12. PMID  18409340. Архивировано из оригинала (PDF) 23 января 2013 г. Проверено 24 декабря 2018 г.
  4. ^ Моу Б, Скорца Р (15 июня 2011 г.). Трансгенные садоводческие культуры: проблемы и возможности . ЦРК Пресс. п. 104. ИСБН 978-1-4200-9379-7.
  5. ^ Гепштейн С., Хорвиц Б.А. (1995). «Влияние исследований арабидопсиса на биотехнологию растений». Достижения биотехнологии . 13 (3): 403–14. дои : 10.1016/0734-9750(95)02003-Л. ПМИД  14536094.
  6. ↑ Holland CK, Jez JM (октябрь 2018 г.). «Арабидопсис: оригинальный растительный организм». Отчеты о растительных клетках . 37 (10): 1359–1366. дои : 10.1007/s00299-018-2286-5. PMID  29663032. S2CID  4946167.
  7. ^ Джефферсон Р.А., Кавана Т.А., Беван М.В. (декабрь 1987 г.). «Слияния GUS: бета-глюкуронидаза как чувствительный и универсальный маркер слияния генов у высших растений». Журнал ЭМБО . 6 (13): 3901–7. doi :10.1002/j.1460-2075.1987.tb02730.x. ПМК 553867 . ПМИД  3327686. 
  8. ^ ab «Биотехнология декоративных растений - Pocket K». www.isaaa.org . Проверено 17 декабря 2018 г.
  9. ^ Чендлер С.Ф., Санчес С. (октябрь 2012 г.). «Генетическая модификация; создание трансгенных сортов декоративных растений». Журнал биотехнологии растений . 10 (8): 891–903. дои : 10.1111/j.1467-7652.2012.00693.x . ПМИД  22537268.
  10. ^ Носовиц Д. (15 сентября 2011 г.). «Suntory создает мифическую синюю (или, хм, лавандовую) розу» . Популярная наука . Проверено 30 августа 2012 г.
  11. ^ «Suntory продает синие розы за границу» . Джапан Таймс . 11 сентября 2011 года. Архивировано из оригинала 22 ноября 2012 года . Проверено 30 августа 2012 г.
  12. ^ «Первая в мире «голубая» роза скоро появится в США» . Проводной . 14 сентября 2011 г.
  13. ^ «Зеленая генная инженерия теперь завоевывает и рынок декоративных растений» . www.biooekonomie-bw.de . Проверено 17 декабря 2018 г.
  14. ^ аб Адамс Дж. М., Пиовесан Г., Штраус С., Браун С. (1 августа 2002 г.). «Дело в пользу генной инженерии местных и ландшафтных деревьев против интродуцированных вредителей и болезней». Биология сохранения . 16 (4): 874–79. дои : 10.1046/j.1523-1739.2002.00523.x. S2CID  86697592.
  15. ^ Трипати С., Сузуки Дж., Гонсалвес Д. (2007). « Своевременная разработка генно-инженерной устойчивой папайи к вирусу кольцевой пятнистости папайи : комплексный и успешный подход». Взаимодействие растений и патогенов . Методы молекулярной биологии. Том. 354. стр. 197–240. дои : 10.1385/1-59259-966-4:197. ISBN 978-1-59259-966-0. ПМИД  17172756.
  16. ^ Саркар, Снехасиш; Рой, Сури; Гош, Судип К. (18 мая 2021 г.). «Разработка безмаркерного трансгенного голубиного гороха (Cajanus cajan), экспрессирующего инсектицидный белок стручка». Научные отчеты . 11 (1): 10543. Бибкод : 2021NatSR..1110543S. дои : 10.1038/s41598-021-90050-8. ISSN  2045-2322. ПМЦ 8131364 . ПМИД  34007007. 
  17. ^ abc Qaim, Утреня (29 апреля 2016 г.). "Введение". Генетически модифицированные культуры и развитие сельского хозяйства . Спрингер. стр. 1–10. ISBN 9781137405722.
  18. ^ ab «Глобальный статус коммерциализации биотехнологических/ГМ-культур: 2014 г. - Краткий обзор ISAAA 49-2014». ISAAA.org . Проверено 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. ^ Дарменси H (август 2013 г.). «Плейотропное влияние генов устойчивости к гербицидам на урожайность сельскохозяйственных культур: обзор». Наука борьбы с вредителями . 69 (8): 897–904. дои : 10.1002/ps.3522. ПМИД  23457026.
  21. ^ Green JM (сентябрь 2014 г.). «Современное состояние гербицидов в устойчивых к гербицидам культурах». Наука борьбы с вредителями . 70 (9): 1351–7. дои : 10.1002/ps.3727. ПМИД  24446395.
  22. ^ Флейшер С.Дж., Хатчисон В.Д., Наранхо С.В. (2014). «Устойчивое управление устойчивыми к насекомым культурами». Биотехнология растений . стр. 115–127. дои : 10.1007/978-3-319-06892-3_10. ISBN 978-3-319-06891-6.
  23. ^ "СГК321". База данных одобрений GM . ISAAA.org . Проверено 27 апреля 2017 г.
  24. ^ Цю Дж (октябрь 2008 г.). «Готов ли Китай к ГМ-рису?». Природа . 455 (7215): 850–2. дои : 10.1038/455850a . ПМИД  18923484.
  25. ^ Йе X, Аль-Бабили С, Клоти А, Чжан Дж, Лукка П, Бейер П, Потрикус I (январь 2000 г.). «Разработка пути биосинтеза провитамина А (бета-каротина) в (без каротиноидов) эндосперма риса». Наука . 287 (5451): 303–5. Бибкод : 2000Sci...287..303Y. дои : 10.1126/science.287.5451.303. PMID  10634784. S2CID  40258379.
  26. ^ Фрист Б (21 ноября 2006 г.). «Герой «зеленой революции». Вашингтон Таймс . Одна существующая культура, генетически модифицированный «золотой рис», производящий витамин А, уже имеет огромные перспективы для снижения слепоты и карликовости, возникающих в результате диеты с дефицитом витамина А.
  27. ^ Блэк Р.Э., Аллен Л.Х., Бхутта З.А., Колфилд Л.Е., де Онис М., Эззати М. и др. (январь 2008 г.). «Недостаточное питание матери и ребенка: глобальные и региональные последствия и последствия для здоровья». Ланцет . 371 (9608): 243–60. дои : 10.1016/S0140-6736(07)61690-0. PMID  18207566. S2CID  3910132.
  28. ^ Хамфри Дж. Х., Вест КП, Соммер А (1992). «Дефицит витамина А и связанная с этим смертность среди детей в возрасте до 5 лет». Бюллетень Всемирной организации здравоохранения . 70 (2): 225–32. ПМЦ 2393289 . ПМИД  1600583. 
  29. ^ Пейн Дж.А., Шиптон Калифорния, Чаггар С., Хауэллс Р.М., Кеннеди М.Дж., Вернон Дж. и др. (апрель 2005 г.). «Улучшение пищевой ценности золотого риса за счет увеличения содержания провитамина А». Природная биотехнология . 23 (4): 482–7. дои : 10.1038/nbt1082. PMID  15793573. S2CID  632005.
  30. ^ «FDA США утверждает, что ГМО-золотой рис безопасен для употребления в пищу» . Проект генетической грамотности . 29 мая 2018 г. Проверено 30 мая 2018 г.
  31. ^ Гасдаска-младший, Спенсер Д., Дики Л. (март 2003 г.). «Преимущества производства терапевтического белка водным растением Lemna». Журнал биообработки . 2 (2): 49–56. doi :10.12665/J22.Гасдаска.
  32. ^ (10 декабря 2012 г.) «Инженерные водоросли для создания комплексного противоракового «дизайнерского» препарата» PhysOrg , дата обращения 15 апреля 2013 г.
  33. ^ Бюттнер-Майник А., Парсонс Дж., Жером Х., Хартманн А., Ламер С., Шааф А. и др. (апрель 2011 г.). «Продукция биологически активного рекомбинантного человеческого фактора H в Physcomitrella». Журнал биотехнологии растений . 9 (3): 373–83. дои : 10.1111/j.1467-7652.2010.00552.x . ПМИД  20723134.
  34. ^ Баур А., Рески Р., Горр Г. (май 2005 г.). «Улучшенное восстановление секретируемого рекомбинантного фактора роста человека с использованием стабилизирующих добавок и путем совместной экспрессии человеческого сывороточного альбумина в мхе Physcomitrella patens». Журнал биотехнологии растений . 3 (3): 331–40. дои : 10.1111/j.1467-7652.2005.00127.x. ПМИД  17129315.
  35. ^ аб Хаммонд Дж., МакГарви П., Юсибов В. (6 декабря 2012 г.). Биотехнология растений: новые продукты и приложения . Springer Science & Business Media. стр. 7–8. ISBN 9783642602344.
  36. ^ Бёрнке Ф, Броер I (июнь 2010 г.). «Настройка метаболизма растений для производства новых полимеров и платформенных химикатов». Современное мнение в области биологии растений . 13 (3): 354–62. doi :10.1016/j.pbi.2010.01.005. ПМИД  20171137.
  37. ^ Лер Ф, Постен С (июнь 2009 г.). «Закрытые фотобиореакторы как средства производства биотоплива». Современное мнение в области биотехнологии . 20 (3): 280–5. doi : 10.1016/j.copbio.2009.04.004. ПМИД  19501503.
  38. ^ "АгБиобезопасность UNL для преподавателей" . agbiosafety.unl.edu . Проверено 18 декабря 2018 г.
  39. ↑ Технологическая платформа Protalix. Архивировано 27 октября 2012 г. на Wayback Machine.
  40. ↑ Гали Вайнреб и Коби Йешаяху для Globes, 2 мая 2012 г. «FDA одобряет лечение Проталиксом Гоше. Архивировано 29 мая 2013 г. в Wayback Machine »
  41. ^ Конча С., Каньяс Р., Макуэр Дж., Торрес М.Дж., Эррада А.А., Джаметт Ф., Ибаньес С. (май 2017 г.). «Профилактика болезней: возможность расширить использование съедобных растительных вакцин?». Вакцина . 5 (2): 14. doi : 10.3390/vaccines5020014 . ПМК 5492011 . ПМИД  28556800.