biobiobio


 

Rośliny modyfikowane genetycznie

GMO - genetycznie modyfikowane organizmy. Człowiek jako istota cudzożywna, praktycznie od zawsze był uzależniony od roślin. Rośliny zamieniają materię nieorganiczną w związki węgla, tak cenne dla człowieka. Człowiek uprawiał je, a one były dla niego pożywieniem i dostarczały mu leków. Patrząc z perspektywy lat na hodowlę roślin, można śmiało powiedzieć, że praktycznie każda roślina jest genetycznie zmodyfikowana. O takim stanie rzeczy może świadczyć fakt, że człowiek zawsze dobierał rośliny o najlepszych cechach i krzyżował je ze sobą. Jednak takie zabiegi wymagały lat pracy na to, aby uzyskać najlepszy efekt, a poza tym pozwalały tylko na wymianę całych genomów. Dzisiejsza inżynieria genetyczna, pozwala na wybranie danego fragmentu genomu - genu i umieszczenie go w genomie wybranej rośliny, co powoduje natychmiastowy efekt w postaci jego ekspresji i powstania białka.


Metody uzyskiwania roślin genetycznie modyfikowanych


Powstaje pytanie jak inżynieria genetyczna sprawia, że roślina staje się lepsza? Odpowiedzią są metody jakie stosuje.

Jedną z nich jest mikrowstrzeliwanie DNA w postaci konstruktu, dla którego nośnikiem są specjalne pociski. Metoda ta nie wymaga izolowania protoplastów i stosowania nie zawsze bezpiecznych dla człowieka odczynników i urządzeń. Natomiast wymogiem jest praca w warunkach sterylnych nad komórkami w kulturach in vitro, przynajmniej w początkach eksperymentu. Uniwersalność tej metody nie ma sobie równych jeśli idzie o transformacje roślin, co można zapisać jej na plus. Minusem z kolei jest stres abiotyczny jaki wywołuje podczas wprowadzania DNA. Powstają liczne uszkodzenia , a do komórek prócz pożądanego materiału DNA, dostaje się wolfram i złoto – materiały które tworzą pociski DNA.

Biolistyka - termin wprowadzony przez J. Sanforda w 1988 roku , to inne określenie mikrowstrzeliwania wzięło się od zbitki słownej „biobalistyka” (biologia i balistyka). Theodore M. Klein, John C. Sanford to pionierzy biolistyki, którzy jako nośnika dla DNA wybrali wolfram – metal o dużej gęstości, charakteryzujący się dużą wytrzymałością (był wykorzystywany do produkcji pocisków przeciwpancernych).

Pierwszy raz wolframowe pociski opłaszczone plazmidowym DNA zawierające gen reporterowy z sekwencją kodującą acetylotransferazę chloramfenikolową (CAT), wystrzelono w kierunku epidermalnej tkanki cebuli. Tak przygotowane pociski umieszczono w specjalnie do tego celu skonstruowanej „strzelbie”, która nadawała pociskom naddźwiękową prędkość. W ostrzelanej tkance cebuli można było zaobserwować przejściową ekspresję CAT. Jakiś czas po tym wydarzeniu pojawiły się głosy o wykorzystywaniu tej metody do transformacji bakterii, drożdży, roślin wyższych, zwierząt, a także kultur komórkowych i tkankowych. Świetnie spisuje się również w terapii genowej, a to wszystko świadczy o uniwersalności tej metody.

Metoda biolistyki jest stosowana głównie do transformacji genetycznej roślin uprawnych, a najczęściej są nimi zboża. Ta metoda przyczyniła się do komercjalizacji, a następnie wprowadzenia na rynek takich odmian transgenicznych roślin jak soja, która posiada odporność na owady i toleruje herbicydy. Tuż za soją modyfikowaną, na transgenicznym podium znalazła się kukurydza genetycznie modyfikowana, określana jako „Bt-maize”. Skrót Bt pochodzi od Bacillus thuringiensis, bakterii która jest dawcą genu, którego produkt jest zabójczy dla gąsienic owadów roślinożernych.

Agroinfekcja - to kolejna z metod otrzymywania transgenicznych roślin. Nazwa tej metody pochodzi od miejsca gdzie odbywa się naturalna transformacja, jest to gleba, miejsce występowania bakterii Agrobacterium tumefaciens. Bakteria ta jest niezwykła ze względu na swój genom, na który składa się chromosom kolisty (2,84Mpz) – jak u większości bakterii, jak również chromosom liniowy (2,08Mpz). Tym dwóm chromosom towarzyszą w takiej samej liczbie plazmidy. Mniejszy z nich (0,54Mpz) oznaczony symbolem Ti (ang. tumor-inducing), jest czynnikiem, który odpowiada za transformację zainfekowanej rośliny. A. tumefaciens jest naturalnym patogenem wielu roślin dwuliściennych. W ich komórkach, określony fragment segmentu Ti, który określa się jako T-DNA (ang. transferred DNA) integruje się z jądrem gospodarza. Wbudowany do genomu gospodarza T-DNA powoduje nadmierną produkcję fitohormonów stymulujących podziały komórkowe. Podziały komórek są tak szybkie, że nie nadąża za nimi ich różnicowanie się, co powoduje powstanie tkanki nowotworowej, w tym przypadku określaną jako „crown gall”.


Wykorzystanie roślin modyfikowanych genetycznie w nauce


Razem z odkryciem struktury DNA przez Watsona i Cricka, stało się jasne, że kod genetyczny jest niemal taki sam u wszystkich organizmów żywych. Idąc tym tropem naukowcy rozpoczęli pracę z genetyczną modyfikacją roślin. Wiedza zdobyta podczas eksperymentów zmniejszania lub zwiększana ekspresji genów prowadzonych na roślinach pozwoliła poznać geny i ich funkcje i zastosować to w praktyce, nie ograniczając się do świata roślin. Do tego celu wykorzystano roślin modelowe, których genom jest dobrze poznany, są to tytoń (Nicotiana tabacum)i rzodkiewnik (Arabidopsis thaliana).


Wykorzystanie roślin GM do praktycznych zastosowań


Człowiek, kiedy jeszcze nie znał metod transformacji genetycznej musiał poprawiać jakość roślin stosując hodowlę kierunkową i krzyżując ze sobą rośliny o najlepszej jakości. Takim zabiegom zostawały poddawane zboża przez blisko 10 000 lat. Dziś kontynuacją dla tych działań jest inżynieria genetyczna, która nie wymaga, aż tak długiego czasu na zaistnienie pożądanej cechy.

Listę roślin GM o określonych cechach zgłoszonych do rejestracji można znaleźć na stronie http://biotech.jrc.it. Obecnie do modnych w transformacji genetycznej roślin należą takie cechy jak: odporność na grzyby, wirusy, owady, tolerancja herbicydów, biosynteza skrobi. Dodatkowo należy pamiętać, że roślina jest w stanie wyprodukować prawie każde białko, co czyni ją potencjalnym bioreaktorem do produkcji biofarmaceutyków, czy plastików ulegających biodegradacji.


Odporność roślin genetycznie modyfikowanych na szkodniki


Bacillus thuringiensis, bakteria występująca w glebie, pozwoliła człowiekowi już od lat 30. XX wieku wykorzystywać białko cry tej bakterii jako naturalny środek ochrony roślin. Dzięki inżynierii genetycznej można bez problemu umieścić taki gen w genomie rośliny, a jego produkt zwalcza jej szkodniki i jest obojętny dla człowieka i zwierząt.

Aby ten biopestycyd mógł skutecznie działać, w przewodzie owada muszą być odpowiednie receptory, z którymi białko cry połączy się i rozpocznie działanie, tym samym to rozwiązanie ogranicza chemiczną „opiekę” nad uprawą co znacznie redukuje koszty produkcji. Żywym przykładem na takie wykorzystanie białka cry jest kukurydza Bt, która jest odporna na omocnicę prosowiankę(Ostrinia nubialis). Szkodnik ten jest nie tylko utrapieniem na rolników z USA czy z Europy Południowej. Problem dotyczy też Polski, gdzie omacnica pochłonęła 40% upraw (dane z 2006r.) i nadal jest zagrożeniem z powodu ciepłych zim.

Uprawy roślin opatrzonych symbolem Bt czeka złoty wiek z powodu braku konieczności stosowania chemicznych środków ochrony roślin, aby powstrzymać szkodniki z rzędu Lepidoptera. To czyni uprawę tańszą, a przede wszystkim zdrowszą. W odporność spod znaku Bt wyposażono już takie rośliny jak bawełna, kapusta, ziemniak (odporność na stonkę ziemniaczaną), pomidor.


Odporność roślin genetycznie modyfikowanych na choroby


Choroby na jakie cierpią rośliny mogą być wywoływane przez wirusy, bakterię i grzyby. Porażenie zboża powodowane przez grzyba z rodzaju Fusarium nie tylko negatywnie odbija się na kieszeni hodowcy, ale także i na jego zdrowiu. Porażone zboże zawiera mykotoksyny, które prócz zatruć pokarmowych, powodują blokowanie syntezy DNA i zakłócenie metabolizmu RNA, a to już najkrótsza droga do nowotworu. Genetycznie „ulepszone” zboża są wyposażone w enzymy (glukanazy, chitynazy), które rozkładają ściany komórkowe grzyba, powodując tym jego kres. Podobne rozwiązanie wprowadzono do walki z bakteriami i wirusami – przykładem jest ziemniak który jest odporny na działanie wirusa liściozwoju (PLRV).

Jak uzyskać roślinę odporną na wirusa? W tym celu wprowadza się do komórek rośliny np. geny odpowiedzialne za wytworzenie otoczki białkowej u wirusa. Roślina zawiera wirusowe białka, ale nie choruje, dodatkowo wirus nie infekuje już takiej komórki, gdyż „myśli”, że natrafia już na same zainfekowane. Przykładem takiego rozwiązania jest papaja – roślina bogata w witaminę A i C, uprawiana na Hawajach, gdzie przeszło 80% plantacji to uprawy transgeniczne typu UH Rainbow. Powodem stosowania transgenicznych odmian jest wirus pierścieniowatej plamistości papai (PRSV), który podróżuje razem z mszycami.

Papaja nie jest jedyną rośliną z wprowadzoną genetyczną odpornością na wirusa. Taką odporność posiada również dynia, która jest niewrażliwa na wirusa mozaiki wirusa (CMV), wirusa drobnej plamistości cukinii (ZYMV), wirusa mozaiki kawona (WMV), jak również ziemniak odporny na wirusa Y (PVY) i wirusa liściozwoju ziemniaka (PLRV).


Tolerancja roślin GM na herbicydy


Herbicydy są jednymi ze środków jakich używa się w uprawach polowych. Mają one za zadanie niszczenie chwastów. Środki te stosuje się oddzielnie na chwasty jednoliścienne, dwuliścienne i na chwasty szczególnie uciążliwe, które można zaliczyć do obydwu tych klas. Stosowanie herbicydów wymaga od rolnika znajomości tematu, gdyż stosowanie ich w nieodpowiednim czasie mogłyby zniszczyć nie tylko chwasty, ale i rośliny uprawne.

Rośliny genetycznie zmodyfikowane są odporne na działanie herbicydów. Tę cechę gwarantuje im gen, który wytwarza enzym rozkładający aktywne składniki środka chwastobójczego. Z takiego rozwiązania płynie wiele korzyści, do których można zaliczyć m.in.:

- Możliwość wykonania zabiegu w różnych terminach,
- Mniejsza liczba zabiegów, gdyż za jednym razem są niszczone chwasty jedno i dwuliścienne,
- Ochrona środowiska, poprzez mniejsze zużycie środka aktywnego,
- Redukcja kosztów produkcji, przez zmniejszenie zakupu ilości herbicydów.

Aby roślina stała się odporna na działanie herbicydu totalnego stosuje się modyfikację typu Roundup Ready, która jest jedną z najczęściej stosowanych. Aktywnym składnikiem, który niszczy roślinę nietransgeniczną jest glifosat. Glifosat hamuje syntazę EPSPS, enzymu który jest odpowiedzialny za syntezę aminokwasów aromatycznych. Roślina transgeniczna jest wyposażona w gen kodujący syntazę EPSPS oporną na działanie glifosatu, oraz gen kodujący oksydoreduktazę glifosatu – enzym który rozkłada glifosat. Soja, która jest jedną z najczęściej uprawianych roślin z odpornością na działanie herbicydu, powiększyła ofertę koncernów biotechnologicznych, które wyszły naprzeciw rolnikom i oferują herbicydy razem z nasionami roślin odpornymi na ich działanie.

Inną metodą modyfikacji roślin pod kątem odporności na działanie herbicydów jest wprowadzenie do rośliny genu PAT. Gen ten pochodzi z bakterii glebowej Streptomyces hygroscopicus i koduje odporność na glufosynat - aktywny składnik herbicydu Basta. Modyfikacji genem PAT poddano już m.in. rzepak, soje i buraka cukrowego, a transgeniczne pszenżyto uzyskane w 1995 roku przez prof. Janusza Zimnego z Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin w Radzikowie było pierwszym w świecie odpornym na herbicyd Basta.


Lepsza strona roślin genetycznie modyfikowanych


To, że roślina otrzymuje nowe właściwości jest sprawą dodawania, usuwania lub zmniejszania bądź zwiększania aktywności genów. Tak było w przypadku pomidora FlavrSavr, który w 1994 roku jako pierwsza transgeniczna roślina wprowadzona do powszechnego obrotu miała podbić świat. Cechą charakterystyczną tego pomidora było zmniejszenie aktywności genu poligalaktouronazy, odpowiedzialnego za rozkład ściany komórkowej. Sprawiało to, że pomidor wolniej dojrzewał, a tym samym był dłużej świeży, co mogło pomóc w transportowaniu go na duże odległości. Odmiana jaką użyto do uzyskania tego pomidora nie była najlepsza, dlatego po kilku latach zdecydowano o zaprzestaniu jego produkcji.

„Grzebanie” w genach pozwoliło uzyskać roślinę, która posiada zmienioną kompozycję aminokwasów. Przykładem tego jest transgeniczna kukurydza LY038, która posiada zwiększoną ilość lizyny. Aminokwas ten jest konieczny do budowy białek w początkowych fazach rozwoju organizmu, wzmaga procesy zapamiętywania i wspomaga organizm w czasie przeziębienia. Po skrzyżowaniu kukurydzy LY038, z również transgeniczną odmianą MON810, uzyskano roślinę o zwiększonej zawartości lizyny i odporności rośliny na szkodniki typu Bt.

kukurydza
Ryc. Po prawej stronie kukurydza transgeniczna, po lewej tradycyjna odmiana. Źródło: www.europabio.org

Szczytny cel przyświecał autorom "złotego ryżu", którzy chcieli swym odkryciem uchronić miliony azjatyckich dzieci przed ślepotą. Modyfikacja polegała na pobraniu z żonkila i wstawieniu do ryżu genu beta-karotenu, prekursora witaminy A. Początkowo ilość beta-karotenu nie pokrywała nawet dziennego zapotrzebowania na ten składnik. Dlatego w 2005 roku pracownicy firmy Syngenta ulepszyli „złoty ryż” tak, aby dawał 20 razy więcej beta-karotenu.

złoty ryż
Ryc. Na zdjęciu Ingo Potrykus i Peter Beyer, pomysłodawcy „złotego ryżu”. Wrzesień 2004r.

ryż
Ryc. Po lewej stronie – ryż nietransgeniczny, po prawej stronie – „złoty ryż”. Źródło: www.goldenrice.org


Do innych transgenicznych ulepszeń roślin należą również:
- Kawa ze zmniejszoną o 70% ilością kofeiny. Uzyskano ten efekt poprzez zmniejszenie aktywności syntazy kofeiny,
- Zwiększenie zawartości kwasu oleinowego w soi i rzepaku,
- Uzyskanie tytoniu (Vector 21-40) o 20 razy mniejszej dawce nikotyny – ilość ta jest mniejsza od progu uzależnienia i 15 razy mniejszej zawartości substancji rakotwórczych,
- Goździki o intensywnej niebiesko-fioletowej barwie, uzyskano poprzez nadprodukcję karotenoidów, roślinę wyposażono dodatkowo w odporność na szkodniki typu Bt,
- Trawa, która została specjalne stworzona do celu sportowych i rekreacyjnych. Wymaga znacznie mniej wody, herbicydów, fungicydów i mniejszego nakładu energii.


Obawy towarzyszące roślinom genetycznie modyfikowanym


Powstanie super chwastów i super patogenów - wprowadzenie uprawy roślin Bt, jest jednoznaczna z wprowadzeniem monokultury, co można uznać za czynnik presji środowiska. W wyniku takiego nacisku środowiska pod wpływem mutacji może dojść do uodpornienia się owadów na białko cry, co da początek tzw. super patogenom. Podobna sytuacja może mieć miejsce w przypadku chorób powodowanych przez grzyby lub wirusy, a także dłuższym stosowaniem herbicydu. Takie sytuacje miały już miejsce, zanim wprowadzono uprawy GMO. Z badań jakie przeprowadzono wynika, że 183 gatunki chwastów potrafiło oprzeć się działaniu herbicydu. Aby zmniejszyć problem pojawiania się odpornych chwastów i patogenów, stosuje się takie metody jak:
- Poszukiwanie nowych genów Bt, a także innych białek niszczących owady,
- Zastosowanie dwóch różnych genów cry. Jeśli owad uodporni się na produkt jednego z tych genów, to z pewnością pozostanie wrażliwy na drugi i zginie,
- Uprawa roślin GM w pobliżu roślin genetycznie niezmodyfikowanych.


Negatywny wpływ GM na organizmy niedocelowe


W myśl przysłowia – kij ma dwa końce – można porównać je z transformacją genetyczną w postaci wprowadzenie genu Bt do rośliny. Gen Bt koduje białko cry, które jest wysoce selektywnym białkiem eliminacjącym owada, poprzez wiązanie się w jego przewodzie z odpowiednimi receptorami, paraliżując tym samym prace układu pokarmowego i zaprzestanie jego dalszej szkodliwej działalności. Jednak trucizna ta może działać też na gatunki blisko spokrewnione ze szkodnikiem co można wytłumaczyć gęstą siecią zależności troficznych w ekosystemie.

Rośliny Bt nie pozostają obojętne na glebę w której rosną. Produkty genu Bt są wytwarzane w całej roślinie i pozostają w niej także w resztkach pozostawionych po zbiorach. Mimo szybkiego rozkładu i naturalnego pochodzenia, roślina Bt ma wpływ na liczebność mikroorganizmów w glebie w której rosła. Zmiany w liczebności mikroorganizmów glebowych można szybko wyrównać stosując uprawy roślin nietransgenicznych.

Badania na temat wpływu GMO na organizmy niedocelowe przeprowadzono na pająkach, dżdżownicach, muchach, złotookach i chrząszczach. Badania te prowadzone w Niemczech i Szwajcarii nie wykazały negatywnego wpływu.


Niekontrolowane rozprzestrzenianie GMO


Rośliny genetycznie zmodyfikowane mogą rozprzestrzeniać się w czasie zbiorów, jak również podczas przechowywania. Mogą być również przenoszone przez zwierzęta. Dlatego dokłada się wszelkich starań, aby ten proces ograniczyć, choć obecnie używane rośliny GM, nie posiadając cech, które mogłyby wyprzeć uprawy niezawierające genetycznej modyfikacji.


Uodparnianie mikroorganizmów na antybiotyki


Obok genów kodujących pożądaną cechę w roślinie, wprowadza się dodatkowo gen oporności na antybiotyk. Takie transformowane komórki w kulturach in vitro poddaje się następnie działaniu antybiotyków w celu wyodrębnienia komórek, które uległy transformacji. Komórki, które nie uległy transformacji po potraktowaniu ich antybiotykiem – giną.

Przeciwnicy GMO twierdzą, że geny oporności na antybiotyki mogą „uciec” z komórek roślin do mikroorganizmów, czyniąc je odpornymi na antybiotyki. Obawy ich są nieuzasadnione, gdyż przed wprowadzeniem danej rośliny do powszechnego obrotu usuwa się z konstruktu gen oporności na antybiotyk lub w ogóle się go nie stosuje.

Wokół roślin genetycznie zmodyfikowanych nieprzerwanie toczy się debata. Jedni chcą, by jej idea była rozwijana i upatrują w tym koniec problemów z głodem na świecie, drudzy chcą jej bezwzględnego zakazu. Jednak z pewnością problemu głodu nie rozwiąże ciągła polemika mająca na celu prześciganie się na dowody „za” lub „przeciw”. Ciężka praca nad zmienionymi genetycznie roślinami i poprawie bezpieczeństwa ich stosowania z pewnością temu problemowi podoła.


Autor: Mariusz Kosakowski

Źródła:
Biotechnologia molekularna. Jerzy Buchowicz, wydawnictwo PWN, Warszawa 2006;
Organizmy genetycznie zmodyfikowane. Projekt realizowany dla Ministerstwa Środowiska i Centrum Informacji o Środowisku. Poznań 2007.


Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Menu podręczne

Kto jest online

97 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły.

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2013 e-biotechnologia.pl
stat4u