Verschiedene Anwendungen der Pflanzenbiotechnologie

Anwendungen der Pflanzenbiotechnologie!

Die Gentechnik von Anlagen bietet die Möglichkeit, ihre Eigenschaften oder Leistungen zu ändern, um deren Nutzen zu verbessern. Eine solche Technologie kann verwendet werden, um die Expression von bereits in den Pflanzen vorhandenen Genen zu modifizieren oder um neue Gene anderer Spezies einzuführen, mit denen die Pflanze nicht konventionell gezüchtet werden kann. Dadurch wird die Erfüllung herkömmlicher Zuchtzwecke effizienter.

Eine der wesentlichen Anwendungen solcher Techniken besteht darin, den gewünschten Pflanzentypen einzelne Gene hinzuzufügen. Plant Transformation kann verwendet werden, um neue oder neuartige Merkmale einzuführen, die einen neuen Markt schaffen oder herkömmliche Produkte verdrängen. Die Verbesserung kann sich auf den Nährwert der Pflanze oder die funktionellen Eigenschaften bei der Verarbeitung oder sogar dem Verbrauch an sich beziehen.

Diese Technologie erweitert vor allem die Möglichkeiten des Transfers von Genen zwischen nicht verwandten Organismen und schafft so neue genetische Informationen durch gezielte Veränderung geklonter Gene. Lassen Sie uns näher auf die Auswirkungen dieser Technologie eingehen.

Lebensmittelqualität:

Ernährungsqualität :

Samenkulturen spielen eine wichtige Rolle in der Ernährung von Mensch und Tier. Nur wenige Getreide tragen zu fast fünfzig Prozent der gesamten Nahrungskalorien bei. In ähnlicher Weise machen sieben Arten von Körnerleguminosen einen großen Teil unserer Kalorienzufuhr aus.

Getreide und Hülsenfrüchte enthalten jedoch bestimmte Proteine, denen Aminosäuren wie Lysin und Threonin fehlen. Hülsenfrüchte haben auch einen Mangel an Schwefelaminosäuren. Einige andere Saatgutkulturen wie Reis bieten ein besseres Gleichgewicht an Aminosäuren, fallen jedoch in ihrem Gesamtproteingehalt aus.

Es folgt eine allgemeine Logik, dass jedes dieser Lebensmittel zur Perfektion katapultiert werden könnte, wenn deren Mängel durch Anleihen dieser fehlenden Merkmale bei anderen Kulturen beseitigt werden könnten. Genau das macht Pflanzenbiotechnologie - die Übertragung einzelner oder mehrerer Gene auf Pflanzen, denen wichtige Komponenten fehlen.

Vor kurzem haben Professor Ingo Potrykus von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (Zürich) und Dr. Peter Beyer von der Universität Freiburg (Deutschland) den "Goldenen Reis" entwickelt, der einen höheren Gehalt an Pro-Vitamin A oder B-Carotin aufweist.

Von diesem modifizierten Reis wird erwartet, dass er Menschen, die an Vitamin-A-Mangel-Erkrankungen leiden, einschließlich der irreversiblen Erblindung bei Hunderttausenden von Kindern jährlich, ernährungsphysiologische Vorteile bringt. Ein ausreichender Vitamin-A-Gehalt kann auch die mit Infektionskrankheiten wie Durchfall und Masern im Kindesalter verbundene Sterblichkeit reduzieren, indem die Aktivität des menschlichen Immunsystems gesteigert wird.

Genetische Werkzeuge können verwendet werden, um den Kohlenhydrat-, Fett-, Ballaststoff- und Vitamingehalt von Lebensmitteln zu verändern. Eine weitere nützliche Anwendung ist das Aufnehmen von Genen aus eiweißreichen Getreide und deren Übertragung in eiweißarme Nahrungsmittel. Ein ähnliches Experiment wurde in der Tat an der Jawaharlal Nehru University in New Delhi durchgeführt, wo Wissenschaftler ein Gen aus Amaranth (Chaulai) in eine Kartoffel transferierten. Die Kartoffel verzeichnete einen Anstieg nicht nur im Proteingehalt, sondern auch in ihrer Größe.

Transgene Werkzeuge werden auch verwendet, um den Nährwert von Kulturpflanzen zu verbessern, indem ihre Anti-Ernährungsfaktoren (wie Proteasehemmer und Hämaglutinine in Leguminosen) reduziert werden. Probleme, die mit der Flatulenz in bestimmten Nahrungsmitteln verbunden sind, können auch durch Manipulieren des Ballaststoff- und Oligosaccharidgehalts angegangen werden.

Biotechnische Anwendungen sind auch bei Weizen äußerst nützlich. Die Qualität des Weizens wird durch das Vorhandensein von Saatgutspeicherproteinen des Getreides bestimmt. Daher kann seine Qualität durch Manipulieren der Anwesenheit dieser Proteine ​​verbessert werden. Es können auch mehr Glutenproteine ​​zugesetzt werden, um dem Teig eine erhöhte Elastizität zu verleihen. Außerdem kann der Stärkegehalt des Weizens geändert werden, um den Eigenschaften von Produkten wie Nudeln zu entsprechen.

Funktionale Qualität:

Die Transformation kann auf Obst und Gemüse angewendet werden, um deren Geschmack und Textur zu verbessern, indem der Reifungsprozess manipuliert wird. Die Leistung pflanzlicher Produkte während ihrer Verarbeitung kann auch durch Gentechnik verbessert werden. So wurde beispielsweise die erste gentechnisch veränderte Nahrung, die Flavr-Savr-Tomate, genetisch manipuliert, um die Reifung zu verlangsamen, und hat eine längere Haltbarkeit (Abb. 2).

Eine andere übliche Strategie zur Kontrolle der Reifung besteht darin, die Produktion des Reifungshormons Ethylen einzuschränken. Ethylen wird aus S-Adenosylmethionin durch Umwandlung in 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure (ACC) in Gegenwart von ACC-Synthase hergestellt, gefolgt von der Erzeugung von Ethylen durch eine ACC-Oxidase oder ein Ethylen bildendes Enzym.

Die Reifung kann verzögert werden, indem Antisense-Konstrukte gegen eines dieser Enzyme gerichtet werden oder ACC mit einer ACC-Deaminase entfernt wird. Die Früchte können dann nach Bedarf durch Einwirkung einer künstlichen Ethylenquelle reifen.

Mälzen und Brauen:

Bei der Bierherstellung erfolgt die Keimung von Gerste unter kontrollierten Bedingungen. Die Qualität des Bieres hängt also weitgehend von der Zusammensetzung des Gerstenkorns ab. Viele Eigenschaften dieser Körner können durch Gentechnik wesentlich verbessert werden. Beispielsweise kann die Verbesserung der Stabilität der Gerstenenzyme (insbesondere bei hohen Temperaturen) ihre Wirksamkeit bei der während des Maischens verwendeten Temperatur verbessern. Der Geschmack des Bieres kann auch durch genetische Behandlung der Gerste verändert werden. Eine solche Technik ist die Verringerung der Lipooxygenase.

Lagerung Kohlenhydrate:

Die Erhöhung der Gehalte bestimmter Enzyme wie ADP-Pyrophosphorylase kann die Stärkesynthese von Lebensmittelprodukten verbessern. Dies kann die Erträge von stärkehaltigen Lebensmitteln verbessern. Die Transformation kann auch die Eigenschaften von Pflanzenstärken verändern. Der Anteil von Amylase und Amylopektin in der Stärke und die Qualität können ebenfalls reguliert werden. Dies würde die Anpassung der Stärke ermöglichen, um die Anforderungen für bestimmte Lebensmittel oder Industrieprodukte zu erfüllen.

Transgene Pflanzen mit erhöhten Mengen an Fructanen (einer Form von Glukose) werden bereits mit einer Levansucrase aus Bakterien produziert. Der Saccharosegehalt von Pflanzen kann auch manipuliert werden, um die Qualität von Zuckerpflanzen wie Zuckerrohr und Zuckerrüben zu verbessern.

Krankheitsresistenz:

Insektenresistenz:

Die Gentechnik hat sich als Segen für die Herstellung schädlingsresistenter Pflanzen erwiesen. Diese Technologie hat die Nachteile der Verwendung chemischer Pestizide überwunden. In letzter Zeit hat auch die Technik der Einführung krankheitsresistenter Gene in Pflanzenarten eine enorme Popularität erlangt.

Beispielsweise können Proteaseinhibitoren die Verdauung von Proteinen durch Insekten verhindern und somit ihre Wachstumsrate verlangsamen. Der Transfer solcher Proteine ​​zu den Pflanzen wirkt als natürlicher Schutzmechanismus gegen Insektenbefall.

Bestimmte bakterielle Gene haben sich auch als sehr wirksam bei der Verhütung von Schädlingsschäden erwiesen. Bacillus thuringiensis (Bt) produziert Bt-Toxin, das gegen Insektenlarven wirksam ist. Transgene Pflanzen, die Bt-Gene beherbergen, wurden in Kulturen wie Sojabohnen, Mais und Baumwolle produziert und erwiesen sich als resistent gegen Schädlingsbefall.

Viele andere Serochemikalien (Chemikalien, die das Verhalten von Insekten verändern) werden von bestimmten Insekten- und Pflanzenarten produziert. Die Übertragung auf andere Pflanzen kann sehr wirksam sein, um das Auftreten von Krankheiten zu überprüfen. Ein anderes Beispiel: Die anfällige Kartoffelkultur enthält keine Chemikalien gegen Futtermittel wie Farnase, ein Terpenoid und andere verwandte Verbindungen.

Diese werden von Blattlaus resistenten Pflanzenarten wie Solanum berthaultii (in Blatthaaren) produziert. Diese Verbindungen wirken, indem sie bei Blattläusen eine Angriffsreaktion auslösen, so dass sie sich nicht in der Kultur festsetzen können. Die Übertragung dieser Gene auf die Kartoffelernte kann sie vor Blattlausbedrohung schützen.

Virusresistenz:

Die Produktion transgener Pflanzen mit Resistenz gegen Viren ist eine der erfolgreichsten Anwendungen der Pflanzentransformation. Mehrere Strategien, die die Expression des viralen Genoms in der Pflanze betreffen, haben sich als wirksam erwiesen. Zum Beispiel war die Expression des Hüllproteingens aus dem Virus weithin erfolgreich. Sowohl die Sense- als auch die Antisense-Expression von Teilen des viralen Genoms können vor einer Virusinfektion schützen.

Nematodenwiderstand:

Neue Gene für Nematodenresistenz bieten einen alternativen Ansatz zur Herstellung von Nematoden-resistenten Pflanzen. Die Gentechnik bietet die Möglichkeit, transgene Pflanzen mit genetischer Resistenz gegen diese Langzeitpflanzenschädlinge zu entwickeln und so die Abhängigkeit von chemischen Nematiziden in der Landwirtschaft zu reduzieren.

Herbizidresistenz :

Die Wahl eines Herbizids ist sehr kritisch, da es ein hohes Risiko der Resistenzbildung birgt. Unkräuter können in einigen Systemen rasch eine Herbizidresistenz entwickeln, wenn mehrere Herbizidklassen auf dasselbe molekulare Ziel wirken. Herbizidresistenzgene bieten auch hier Schutz, indem sie das Herbizid entgiften (in eine inaktive Form überführen).

Verbesserung der photosynthetischen Effizienz:

Der Prozess der Photosynthese ist der wichtigste Mechanismus, um den Pflanzen Energie zuzuführen. Allerdings können selbst die effizientesten Anlagen nur drei bis vier Prozent des vollen Sonnenlichts nutzen. Biotechnologie wird jetzt eingesetzt, um die Photosynthese-Effizienz von RuBPCase (Ribulose-Bis-Phosphat-Carboxylase, die an der Kohlendioxid-Fixierung beteiligt ist) zu verbessern.

Dies erhöht die Effizienz der Katalyse und reduziert die kompetitive Oxygenasefunktion (da sich RuBP-Case auch als Oxygenase verhält). Nützliche Varianten können auch hergestellt werden, indem die Gene, die für große und kleine Untereinheiten der Enzyme verschiedener Spezies kodieren, kombiniert werden.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu tun:

Toleranz gegenüber abiotischem Stress:

Die Produktivität der Pflanzen leidet unter verschiedenen Belastungen im Verlauf ihrer Entwicklung. Diese Stressfaktoren umfassen Temperatur, Salzgehalt, Dürre, Flutung, UV-Licht und verschiedene Infektionen. Während die molekularen Grundlagen solcher Reaktionen noch nicht klar sind, wissen wir, dass sie die Neusynthese spezifischer Proteine ​​(unter Temperaturschock) und Enzyme (Alkoholdehydrogenase unter Anaerobiose und Phenylalaninaminolyse unter UV-Bestrahlung) umfassen.

Die auf abiotischen Stress reagierenden Gene wurden in vielen Laboratorien geklont und sequenziert, einschließlich der Autoren, die ein Gen identifiziert und transformiert haben, das Glyoxalase 1 codiert, um Pflanzen Toleranz zu verleihen.

Die regulatorischen Sequenzen einiger Gene wurden ebenfalls identifiziert. Zum Beispiel wurde die 5'-Promotorsequenz der Alkoholdehyhrogenase an das CAT-Reporter-Gen (Chloremphenicol-Acetyltransferase) gebunden und auf Tabakprotoplasten übertragen, in denen eine O ₂ -sensitive Expression nachgewiesen wurde.

Solche umweltinduzierbaren Promotoren werden sicherlich nützliche Instrumente zur Untersuchung der Genexpression sein, und diese Arbeit wird die Grundlage für die Übertragung von auf Stress reagierenden Genen unter regulierten Promotoren auf anfällige Spezies legen. In letzter Zeit wurden gegen Salinität resistente Tomatenpflanzen entwickelt.

Gene aus verschiedenen Organismen wie Meeresressourcen können auf verschiedene Weise zur Verbesserung von Pflanzen verwendet werden. Dies ist ein innovativer Schritt zur Entwicklung salztoleranter Arten, indem die Gene von Meerespflanzen (Halophyten) auf Getreide und Gemüse übertragen werden.

In ähnlicher Weise wurde ein Gen, das ein Protein eines Flunderfisches codiert, in Pflanzen umgewandelt, um sie vor Frostschäden zu schützen. Dieses Protein könnte nützlich sein, um Frostschäden bei der Lagerung nach der Ernte zu verhindern. Daher könnte das Einfrieren verwendet werden, um die Textur und den Geschmack einiger Obst und Gemüse zu erhalten, die derzeit nicht zum Einfrieren geeignet sind.

Entwicklung der Stickstoffbindungskapazität in nicht leguminösen Kulturen:

Der Einsatz stickstoffhaltiger Düngemittel hat sich zwar als effizienter Weg zur Verbesserung der Ernteerträge erwiesen, ist jedoch nach wie vor eine teure Angelegenheit. Die Alternative besteht darin, eine natürliche Stickstoffquelle in der Pflanze bereitzustellen. Dies kann durch die Einführung stickstofffixierender Mikroorganismen erreicht werden.

Solche Mikroorganismen sind in der Lage, atmosphärischen Stickstoff in Gegenwart von Stickstoff fixierenden Bakterien Rhizobium zu fixieren. Die Umwandlung der Stickstofffixierungsgene (Nif-Gene) von Leguminosen auf Nichtleguminosen kann eine kostengünstige Alternative zu den teuren Düngemitteln darstellen.

Andere Wege zur Verbesserung der Stickstoffausbeute in Pflanzen können jedoch erreicht werden, indem die Effizienz des Fixierungsprozesses in symbiotischen Bakterien erhöht wird, die Effizienz des Fixierungsprozesses in den synthetischen Bakterien erhöht wird und die Stickstofffixierungsbakterien so modifiziert werden, dass sie die Stickstofffixierung in Gegenwart von Exogen aufrechterhalten Stickstoff.

Cytoplasmatische männliche Sterilität :

Es wurde viel erforscht, um den Mechanismus der zytoplasmatischen männlichen Sterilität (CMS) zu erklären. Dieses Merkmal führt zur Produktion von nicht funktionellem Pollen in reifen Pflanzenarten wie Sorghum, Mais und Zuckerrüben und erleichtert somit die Erzeugung von wertvollem Hybridsaatgut mit hohem Ertrag.

Die zytoplasmatische männliche Sterilität dieser Pflanzenspezies hängt im Wesentlichen mit der Reorganisation der mitochondrialen DNA und der Synthese neuer Polypeptide zusammen. Die sich rasch entwickelnden biotechnologischen Instrumente können möglicherweise die Übertragung des CMS-Merkmals auf männliche fruchtbare Linien ermöglichen. Genetisch entwickelte männliche Sterilität bietet auch ein großes Potenzial für die Erzeugung von Hybriden in der Landwirtschaft.

Pflanzenentwicklung :

Die Entwicklung einer Pflanze ist ein komplexer Prozess, der die Rolle von Lichtrezeptoren wie Phytochrom, Chloroplasten-Genexpression, Mitochondrien-Genexpression in Bezug auf die männliche Sterilität, die Akkumulation von Speicherprodukten und die Entwicklung von Speicherorganen (Früchten) beinhaltet.

Es ist jetzt möglich, verschiedene Gene zu klonen und zu sequenzieren, die für die Pflanzenentwicklung verantwortlich sind. Dies hat die Möglichkeit der Manipulation der Expression dieser Gene und folglich des Prozesses, an dem sie beteiligt sind, erhöht. Zum Beispiel wurde berichtet, dass früh blühende Gene die Eigenschaften der spätreifenden Sorten verändern.

Die Isolierung spezifischer Promotorelemente hat auch dazu beigetragen, Pflanzen zu entwickeln, die Proteine ​​in bestimmten Geweben exprimieren. Gene, die für die Farbbildung verantwortlich sind, können auf Pflanzen übertragen werden, die farblose Blüten tragen. Darüber hinaus können durch die Manipulation von Genen, die die Blüte und die Pollenbildung kontrollieren, transgene Pflanzen mit veränderter Fruchtbarkeit erzeugt werden. Die Expression des Blatt- und APETALAI-Gens in Arabidopsis hat zu einer frühzeitigen Blüte geführt.

In ähnlicher Weise beeinflussen die mutmaßlichen Hormonrezeptoren in Pflanzen die Empfindlichkeit verschiedener Gewebe gegenüber Wachstumsregulatoren und deren anschließende Differenzierung und Entwicklung. Die Einführung von Wildtyp- oder modifizierten Genen für spezifische Wachstumsregulatoren hat sich bei der Manipulation der Pflanzenentwicklung als wirksam erwiesen (z. B. Änderung der Reifezeit oder der Anzahl und Größe von Kartoffelknollen). Dieser Ansatz kann zur Modifizierung der Blütenreaktion, Fruchtentwicklung und Expression von Speicherprotein-Genen angewendet werden.

Nützliche Proteine ​​aus Pflanzen :

Viele Pflanzen werden jetzt verwendet, um nützliche Proteine ​​herzustellen. Dies hat Neutraceuticals hervorgebracht - ein Wort, das für konfektioniertes Essen geprägt ist. Diese Lebensmittel werden auch als funktionelle Lebensmittel bezeichnet. Zu den Neutrazeutika zählen alle "Designer" -Nahrungsmittel, von mit Vitaminen angereicherten Frühstückszerealien bis zu Benecol, einem Margarineaufstrich, der das LDL-Cholesterin tatsächlich senkt. Ein führendes amerikanisches Unternehmen, Novartis Consumer Health, schätzt den US-amerikanischen Markt für funktionelle Lebensmittel auf rund zehn Milliarden US-Dollar, mit einer erwarteten jährlichen Wachstumsrate von zehn Prozent.

Impfstoffproduktion aus Pflanzen :

Pflanzen sind eine reiche Antigenquelle für die Immunisierung von Tieren. Transgene Pflanzen können entwickelt werden, um antigene Proteine ​​oder andere Moleküle herzustellen. Die Herstellung des Antigens in einem essbaren Teil der Pflanze könnte sich als ein einfaches und wirksames Abgabesystem für das Antigen in einem essbaren Teil der Pflanze erweisen und könnte sich als ein einfaches und wirksames Abgabesystem für das Antigen erweisen.

Mögliche Anwendungen dieser Technologie umfassen eine effiziente Immunisierung von Mensch und Tier gegen Krankheiten und die Bekämpfung von tierischen Schädlingen. Beispielsweise wurden Antigene für das Hepatitis-B-Virus erfolgreich in Tabakpflanzen exprimiert und zur Immunisierung von Mäusen verwendet. Mit Kartoffeln gefütterte Mäuse, die die P-Sub-Einheit von E. coli-Enterotoxin LT-B exprimieren, haben ebenfalls Antikörper produziert, die gegen das bakterielle Toxin schützen.

Diese Technik verspricht den Weg für eine kostengünstige Immunisierung gegen verschiedene menschliche Krankheiten. Orale Impfstoffe gegen Cholera wurden bereits in Pflanzen exprimiert. Die Erzeugung von Antigenen durch Pflanzen ist nicht nur kostengünstig, sondern kann auch in Massen produziert und leicht gewonnen werden.