Генетически модифицированное растение - Genetically modified plant

Часть серия на
Генная инженерия
Генная инженерия logo.png
 
Генетически модифицированные организмы
История и регулирование
Процесс
Приложения
Споры

Генетически модифицированные растения были разработаны для научных исследований, для создания новых цветов растений, доставки вакцин и создания улучшенных культур. Геномы растений можно сконструировать физическими методами или с помощью Агробактерии для доставки последовательностей, размещенных в Бинарные векторы Т-ДНК. Многие клетки растений плюрипотентный Это означает, что можно собрать одну клетку зрелого растения, а затем в правильных условиях сформировать новое растение. Этой способностью могут воспользоваться генные инженеры; путем отбора клеток, которые были успешно трансформированы во взрослом растении, можно вырастить новое растение, содержащее трансген в каждой клетке, с помощью процесса, известного как культура ткани.[1]

Исследование

Многие достижения в области генной инженерии стали результатом экспериментов с табак. Основные достижения в культуре тканей и растительная клеточная механизмы для широкого спектра растений произошли от систем, разработанных 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 зарекомендовали себя, что делает его одним из самых простых для трансформации растений.[4] Другой крупный модельный организм, имеющий отношение к генной инженерии, - это Arabidopsis thaliana. Его небольшой геном и короткий жизненный цикл позволяют легко манипулировать, и он содержит много гомологи важным видам сельскохозяйственных культур.[5] Это был первый завод последовательный, имеет обильные биоинформатический ресурсов и может быть преобразован, просто окунув цветок в преобразованный Агробактерии решение.[6]

В исследованиях растения разрабатывают, чтобы помочь обнаружить функции определенных генов. Самый простой способ сделать это - удалить ген и посмотреть, что фенотип развивается по сравнению с дикого типа форма. Любые различия могут быть результатом отсутствия гена. В отличие от мутагенез генная инженерия позволяет целенаправленно удалять, не нарушая работу других генов в организме.[1] Некоторые гены экспрессируются только в определенных тканях, поэтому репортерные гены, такие как GUS, может быть прикреплен к интересующему гену, что позволяет визуализировать местоположение.[7] Другой способ проверить ген - это немного изменить его, а затем вернуть растению и посмотреть, оказывает ли он такое же влияние на фенотип. Другие стратегии включают прикрепление гена к сильному промоутер и посмотрите, что происходит, когда он чрезмерно экспрессируется, заставляя ген экспрессироваться в другом месте или в другом месте. стадии развития.[1]

Орнаментальный

Сантори "голубая" роза
Кенийцы изучают устойчивые к насекомым трансгенные Bt кукуруза

Некоторые генетически модифицированные растения чисто орнаментальный. Они модифицированы для более низкого цвета, аромата, формы цветка и архитектуры растений.[8] Первые генетически модифицированные декоративные растения коммерциализировали измененный цвет.[9] Гвоздики были выпущены в 1997 году с самым популярным генетически модифицированным организмом, синяя роза (на самом деле лавандовый или сиреневый) создан в 2004 году.[10] Розы продаются в Японии, США и Канаде.[11][12] Другие генетически модифицированные декоративные растения включают: Хризантема и Петуния.[8] Помимо повышения эстетической ценности, есть планы по созданию декоративных растений, которые потребляют меньше воды или устойчивы к холоду, что позволит выращивать их за пределами естественной среды обитания.[13]

Сохранение

Было предложено генетически модифицировать некоторые виды растений, которым угрожает исчезновение, чтобы они были устойчивыми к инвазионным растениям и болезням, например изумрудный ясеневый бур в Северной Америке и грибковое заболевание, Ceratocystis platani, в европейских платаны.[14] В вирус кольцевой пятнистости папайи (PRSV) опустошал деревья папайи на Гавайях в двадцатом веке до трансгенных папайя растениям была придана устойчивость, вызванная патогенами.[15] Однако генетическая модификация для сохранения растений остается в основном спекулятивной. Уникальное беспокойство вызывает то, что трансгенный вид может больше не иметь достаточного сходства с исходным видом, чтобы действительно утверждать, что исходный вид сохраняется. Вместо этого трансгенные виды могут быть достаточно генетически разными, чтобы считаться новым видом, что снижает ценность генетической модификации для сохранения.[14]

Культуры

Основная статья: Генетически модифицированные культуры

Генетически модифицированные культуры - это генетически модифицированные растения, которые используются в сельское хозяйство. Первые предоставленные культуры используются в пищу для животных или человека и обеспечивают устойчивость к определенным вредителям, болезням, условиям окружающей среды, порче или химической обработке (например, устойчивость к гербицид ). Второе поколение сельскохозяйственных культур было направлено на улучшение качества, часто за счет изменения профиль питательных веществ. ГМО третьего поколения можно использовать для непродовольственных целей, включая производство фармацевтические агенты, биотопливо, и другие промышленно полезные товары, а также для биоремедиация.[16]

Развитие сельского хозяйства преследует три основные цели; увеличение производства, улучшение условий для сельскохозяйственных рабочих и устойчивость. ГМ-культуры вносят свой вклад, улучшая урожай за счет снижения давления насекомых, повышения питательной ценности и устойчивости к различным абиотические стрессы. Несмотря на этот потенциал, по состоянию на 2018 год коммерциализированные культуры ограничиваются в основном товарные культуры такие как хлопок, соя, кукуруза и рапс, и подавляющее большинство интродуцированных признаков обеспечивают либо устойчивость к гербицидам, либо устойчивость к насекомым.[16] На сою приходилась половина всех посевных генетически модифицированных культур в 2014 году.[17] Принятие фермерами было быстрым: в период с 1996 по 2013 год общая площадь земель, возделываемых с помощью ГМ-культур, увеличилась в 100 раз, с 17 000 квадратных километров (4200 000 акров) до 1 750 000 км2.2 (432 млн акров).[18] Хотя географически разброс был очень неравномерным, с сильным ростом Америка и части Азии и немного в Европе и Африке.[16] Его социально-экономический распространение было более равномерным: около 54% ​​мировых ГМ-культур выращивались в развивающиеся страны в 2013.[18]

Еда

Смотрите также: Генетически модифицированная пища

Большинство ГМ-культур были модифицированы для обеспечения устойчивости к выбранным гербицидам, обычно глифосат или же глюфосинат на основе один. Генетически модифицированные культуры, созданные для устойчивости к гербицидам, теперь более доступны, чем устойчивые сорта, выведенные традиционным способом;[19] в США 93% соевых бобов и большая часть выращиваемой ГМ кукурузы устойчивы к глифосату.[20] Большинство доступных в настоящее время генов, используемых для создания устойчивости к насекомым, происходят из Bacillus thuringiensis бактерия. Большинство из них имеют форму дельта-эндотоксин гены, известные как белки cry, а некоторые используют гены, кодирующие растительные инсектицидные белки.[21] Единственный коммерчески используемый ген для защиты от насекомых, который не происходит от B. thuringiensis это Cowpea ингибитор трипсина (CpTI). CpTI был впервые одобрен для использования хлопка в 1999 году и в настоящее время проходит испытания на рисе.[22][23] Менее одного процента ГМ-культур содержали другие признаки, в том числе обеспечение устойчивости к вирусам, задержку старения, изменение цвета цветов и изменение состава растений.[17]Золотой рис это самая известная ГМ-культура, нацеленная на повышение питательной ценности. Он был разработан с тремя генами, которые биосинтез бета-каротин, предшественник витамин А в съедобных частях риса.[24] Он предназначен для производства обогащенных продуктов питания, которые будут выращиваться и потребляться в районах с нехватка диетического витамина А.[25] дефицит, от которого ежегодно умирают 670 000 детей в возрасте до 5 лет.[26] и вызвать дополнительно 500 000 случаев необратимой детской слепоты.[27] Исходный золотой рис содержал 1,6 мкг / г каротиноиды, с дальнейшим развитием, увеличившим это в 23 раза.[28] В 2018 году он получил первые разрешения на использование в пищу.[29]

Биофармацевтические препараты

Растения и растительные клетки были генетически модифицированы для производства биофармацевтические препараты в биореакторы, процесс, известный как Фарминг. Работа проделана с ряска Лемна минор,[30] то водоросли Хламидомонада Reinhardtii[31] и мох Physcomitrella patens.[32][33] Производимые биофармацевтические препараты включают цитокины, гормоны, антитела, ферменты и вакцины, большая часть которых накапливается в семенах растений. Многие лекарства также содержат натуральные растительные ингредиенты, и пути, ведущие к их производству, были генетически изменены или переданы другим видам растений для производства большего объема и лучших продуктов.[34] Другие варианты биореакторов: биополимеры[35] и биотопливо.[36] В отличие от бактерий, растения могут изменять белки послепереводно, позволяя им создавать более сложные молекулы. Они также представляют меньший риск заражения.[37] Терапевтические препараты культивировали в трансгенных клетках моркови и табака,[38] включая медикаментозное лечение Болезнь Гоше.[39]

Вакцина

Производство и хранение вакцин имеет большой потенциал для трансгенных растений. Вакцины дороги в производстве, транспортировке и применении, поэтому наличие системы, которая может производить их на месте, обеспечит больший доступ к более бедным и развивающимся районам.[34] Помимо очистки вакцин, экспрессированных в растениях, можно также производить съедобные вакцины из растений. Съедобные вакцины стимулируют иммунная система при проглатывании для защиты от некоторых заболеваний. Хранение в растениях снижает долгосрочные затраты, поскольку их можно распространять без необходимости хранения в холодильнике, они не нуждаются в очистке и имеют долгосрочную стабильность. Кроме того, присутствие в клетках растений обеспечивает некоторую защиту от кислот кишечника при пищеварении. Однако стоимость разработки, регулирования и содержания трансгенных растений высока, что приводит к тому, что большинство современных вакцин на растительной основе применяется для Ветеринария, где контроль не такой строгий.[40]

Рекомендации

  1. ^ а б c Уолтер П., Робертс К., Рафф М., Льюис Дж., Джонсон А., Альбертс Б. (2002). «Изучение экспрессии и функции генов». Молекулярная биология клетки (4-е изд.).
  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. ^ 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). Пшеглад Лекарски (по польски). 64 (10): 908–12. PMID  18409340.
  4. ^ Мо Б, Скорца Р. (15.06.2011). Трансгенные садовые культуры: проблемы и возможности. CRC Press. п. 104. ISBN  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. PMID  14536094.
  6. ^ Holland CK, Jez JM (октябрь 2018 г.). «Арабидопсис: исходный растительный организм-шасси». 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 EMBO. 6 (13): 3901–7. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1987.tb02730.x. ЧВК  553867. PMID  3327686.
  8. ^ а б "Биотехнология декоративных растений - Карман К". www.isaaa.org. Получено 2018-12-17.
  9. ^ Чандлер 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. PMID  22537268.
  10. ^ Nosowitz D (15 сентября 2011 г.). «Suntory создает мифическую синюю (или эм, лавандовую) розу». Популярная наука. Получено 30 августа 2012.
  11. ^ "Suntory продает голубые розы за границей". The Japan Times. 11 сентября 2011. Архивировано с оригинал 22 ноября 2012 г.. Получено 30 августа 2012.
  12. ^ «Первая в мире« голубая »роза скоро появится в США». Проводной. 14 сентября 2011 г.
  13. ^ «Зеленая генная инженерия теперь также завоевывает рынок декоративных растений». www.biooekonomie-bw.de. Получено 2018-12-17.
  14. ^ а б Адамс Дж. М., Пиовезан Дж., Штраус С., Браун С. (2002-08-01). «Дело о генной инженерии местных и ландшафтных деревьев против занесенных вредителей и болезней». Биология сохранения. 16 (4): 874–79. Дои:10.1046 / j.1523-1739.2002.00523.x.
  15. ^ Трипати С., Сузуки Дж., Гонсалвес Д. (2007). "Разработка генетически модифицированной устойчивой папайи для вирус кольцевой пятнистости папайи своевременно: комплексный и успешный подход ». Своевременная разработка генетически модифицированной устойчивой папайи к вирусу кольцевой пятнистости папайи: комплексный и успешный подход. Методы молекулярной биологии. 354. С. 197–240. Дои:10.1385/1-59259-966-4:197. ISBN  978-1-59259-966-0. PMID  17172756.
  16. ^ а б c Каим, Матин (29.04.2016). "Вступление". Генетически модифицированные культуры и сельскохозяйственное развитие. Springer. С. 1–10. ISBN  9781137405722.
  17. ^ а б «Глобальный статус коммерциализированных биотехнологических / ГМ-культур: 2014 - ISAAA Brief 49-2014». ISAAA.org. Получено 2016-09-15.
  18. ^ а б Годовой отчет ISAAA за 2013 год Резюме, Глобальный статус коммерциализированных биотехнологических / ГМ-культур: 2013 г. ISAAA Brief 46-2013, последнее посещение - 6 августа 2014 г.
  19. ^ Дарменси Х (август 2013 г.). «Плейотропные эффекты генов устойчивости к гербицидам на урожайность сельскохозяйственных культур: обзор». Наука о борьбе с вредителями. 69 (8): 897–904. Дои:10.1002 / л.с. 3522. PMID  23457026.
  20. ^ Green JM (сентябрь 2014 г.). «Современное состояние гербицидов на гербицидостойких культурах». Наука о борьбе с вредителями. 70 (9): 1351–7. Дои:10.1002 / л.с. 3727. PMID  24446395.
  21. ^ Флейшер С.Дж., Хатчисон В.Д., Наранхо С.Е. (2014). «Устойчивое управление культурами, устойчивыми к насекомым». Биотехнология растений. С. 115–127. Дои:10.1007/978-3-319-06892-3_10. ISBN  978-3-319-06891-6.
  22. ^ «SGK321». База данных одобрения GM. ISAAA.org. Получено 2017-04-27.
  23. ^ Цю Дж (октябрь 2008 г.). «Готов ли Китай к ГМ-рису?». Природа. 455 (7215): 850–2. Дои:10.1038 / 455850a. PMID  18923484.
  24. ^ Е X, Аль-Бабили С., Клоти А., Чжан Дж., Лукка П., Бейер П., Потрикус I. (январь 2000 г.). «Разработка пути биосинтеза провитамина А (бета-каротин) в (не содержащий каротиноидов) эндосперм риса». Наука. 287 (5451): 303–5. Bibcode:2000Sci ... 287..303Y. Дои:10.1126 / science.287.5451.303. PMID  10634784.
  25. ^ Frist B (21 ноября 2006 г.). "'Герой зеленой революции ». Вашингтон Таймс. Одна из существующих культур, генетически модифицированный «золотой рис», который производит витамин А, уже имеет огромные перспективы для снижения слепоты и карликовости, возникающих в результате диеты с дефицитом витамина А.
  26. ^ Блэк Р. Э., Аллен Л. Х., Бхутта З. А., Колфилд Л. Е., де Онис М., Эззати М. и др. (Январь 2008 г.). «Недоедание матери и ребенка: глобальные и региональные воздействия и последствия для здоровья». Ланцет. 371 (9608): 243–60. Дои:10.1016 / S0140-6736 (07) 61690-0. PMID  18207566. S2CID  3910132.
  27. ^ Хамфри Дж. Х., Вест КП, Соммер А (1992). «Дефицит витамина А и соответствующая смертность среди детей младше 5 лет». Бюллетень Всемирной организации здравоохранения. 70 (2): 225–32. ЧВК  2393289. PMID  1600583.
  28. ^ Пейн Дж. А., Шиптон, Калифорния, Чаггар С., Хауэллс Р. М., Кеннеди М. Дж., Вернон Г. и др. (Апрель 2005 г.). «Повышение питательной ценности золотого риса за счет увеличения содержания провитамина А». Природа Биотехнологии. 23 (4): 482–7. Дои:10.1038 / nbt1082. PMID  15793573. S2CID  632005.
  29. ^ «FDA США утверждает, что золотой рис с ГМО безопасен для употребления». Проект генетической грамотности. 2018-05-29. Получено 2018-05-30.
  30. ^ Гасдаска Дж. Р., Спенсер Д., Дики Л. (март 2003 г.). «Преимущества терапевтического производства протеина из водных растений Лемна". Журнал биопроцессинга. 2 (2): 49–56. Дои:10.12665 ​​/ J22.Gasdaska.
  31. ^ (10 декабря 2012 г.) "Инженерные водоросли для создания сложного противоракового `` дизайнерского '' препарата " PhysOrg, Проверено 15 апреля 2013 г.
  32. ^ Бюттнер-Майник А., Парсонс Дж., Жером Х., Хартманн А., Ламер С., Шааф А. и др. (Апрель 2011 г.). «Производство биологически активного рекомбинантного человеческого фактора H в Physcomitrella». Журнал биотехнологии растений. 9 (3): 373–83. Дои:10.1111 / j.1467-7652.2010.00552.x. PMID  20723134.
  33. ^ Баур А., Рески Р., Горр Г. (май 2005 г.). «Повышенное восстановление секретируемого рекомбинантного фактора роста человека с использованием стабилизирующих добавок и 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. PMID  17129315.
  34. ^ а б Хаммонд Дж., МакГарви П., Юсибов В. (2012-12-06). Биотехнология растений: новые продукты и приложения. Springer Science & Business Media. стр.7 –8. ISBN  9783642602344.
  35. ^ Börnke F, Broer I (июнь 2010 г.). «Адаптация метаболизма растений к производству новых полимеров и платформенных химикатов». Текущее мнение в области биологии растений. 13 (3): 354–62. Дои:10.1016 / j.pbi.2010.01.005. PMID  20171137.
  36. ^ Lehr F, Posten C (июнь 2009 г.). «Закрытые фотобиореакторы как инструменты для производства биотоплива». Текущее мнение в области биотехнологии. 20 (3): 280–5. Дои:10.1016 / j.copbio.2009.04.004. PMID  19501503.
  37. ^ "Агбиобезопасность УНЛ для преподавателей". agbiosafety.unl.edu. Получено 2018-12-18.
  38. ^ Технологическая платформа Protalix В архиве 27 октября 2012 г. Wayback Machine
  39. ^ Гали Вайнреб и Коби Йешаяху для Globes 2 мая 2012 г. "FDA одобряет лечение Проталиксом Гоше В архиве 29 мая 2013 г. Wayback Machine "
  40. ^ Конча С., Каньяс Р., Макуер Дж., Торрес М.Дж., Эррада А.А., Джаметт Ф., Ибаньес С. (май 2017 г.). "Профилактика заболеваний: возможность расширить производство пищевых вакцин на растительной основе?". Вакцина. 5 (2): 14. Дои:10.3390 / Vacines5020014. ЧВК  5492011. PMID  28556800.