Varie applicazioni della biotecnologia vegetale

Applicazioni della biotecnologia vegetale!

L'ingegneria genetica delle piante offre l'opportunità di modificare le loro proprietà o prestazioni al fine di migliorare la loro utilità. Tale tecnologia può essere utilizzata per modificare l'espressione di geni già presenti nelle piante, o per introdurre nuovi geni di altre specie con cui la pianta non può essere allevata convenzionalmente. In tal modo, dà maggiore efficienza al soddisfacimento degli scopi della riproduzione convenzionale.

Una delle applicazioni significative di tali tecniche sta nell'aggiunta di singoli geni a tipi di piante desiderabili. La trasformazione delle piante può essere utilizzata per introdurre caratteristiche nuove o nuove che creano un nuovo mercato o sostituiscono i prodotti convenzionali. Il miglioramento può riguardare il valore nutrizionale della pianta o le proprietà funzionali nella lavorazione o persino il consumo di per sé.

Soprattutto, questa tecnologia amplia le possibilità di trasferimento di geni tra organismi non correlati, e quindi crea nuove informazioni genetiche mediante l'alterazione specifica dei geni clonati. Parliamo delle implicazioni di questa tecnologia in modo più dettagliato.

Qualità del cibo:

Qualità nutrizionale :

Le colture di semi svolgono un ruolo importante nell'alimentazione umana e animale. Solo pochi cereali contribuiscono a quasi il cinquanta per cento delle calorie totali alimentari. Allo stesso modo, sette specie di legumi grano rappresentano una grande porzione del nostro apporto calorico.

Tuttavia, cereali e legumi contengono alcune proteine ​​carenti di aminoacidi come la lisina e la treonina. I legumi sono anche carenti di amminoacidi solforati. Alcune altre colture da seme come il riso offrono un migliore equilibrio di aminoacidi, ma cadono nei loro livelli complessivi di proteine.

La logica comune segue che ognuno di questi alimenti potrebbe essere catapultato alla perfezione se le loro carenze potrebbero essere superate prendendo in prestito quei tratti mancanti da altre colture. Questo è esattamente ciò che fa la biotecnologia vegetale: il trasferimento di geni singoli o multipli verso piante prive di componenti importanti.

Recentemente, il professor Ingo Potrykus presso l'Istituto federale svizzero di tecnologia (Zurigo) e il dott. Peter Beyer dell'Università di Friburgo (Germania) hanno sviluppato il "Riso dorato", che ha livelli più elevati di pro-vitamina A o di b-carotene.

Si prevede che questo riso modificato fornisca benefici nutrizionali a chi soffre di malattie legate alla carenza di vitamina A, inclusa la cecità irreversibile in centinaia di migliaia di bambini all'anno. Un contenuto adeguato di vitamina A può anche ridurre la mortalità associata a malattie infettive come la diarrea e il morbillo infantile, migliorando l'attività del sistema immunitario umano.

Gli strumenti genetici possono essere utilizzati per modificare il contenuto di carboidrati, grassi, fibre e vitamine del cibo. Un'altra applicazione utile è quella di raccogliere i geni dai cereali ricchi di proteine ​​e trasferirli in alimenti a basso contenuto proteico. In effetti, un esperimento simile è stato condotto presso l'Università Jawaharlal Nehru di Nuova Delhi, dove gli scienziati hanno trasferito un gene dall'amaranto (Chaulai) in una patata. La patata ha registrato un aumento non solo del suo contenuto proteico, ma anche delle sue dimensioni.

Gli strumenti transgenici vengono anche utilizzati per migliorare il valore nutrizionale delle colture riducendo i loro fattori anti-nutrizionali (come gli inibitori della proteasi e le haemaglutinine nei legumi). Anche i problemi associati alla flatulenza in alcuni alimenti possono essere affrontati manipolando la fibra alimentare e il contenuto di oligosaccaridi.

Le applicazioni biotecniche sono estremamente utili anche in caso di grano. La qualità del grano è determinata dalla presenza di proteine ​​immagazzinanti i semi del grano. Pertanto, la sua qualità può essere migliorata manipolando la presenza di queste proteine. Altre proteine ​​del glutine possono anche essere aggiunte per dare maggiore elasticità all'impasto. Inoltre, il contenuto di amido di grano può essere modificato per adattarsi alle proprietà di prodotti come i noodles.

Qualità funzionale:

La trasformazione può essere applicata a frutta e verdura per migliorare il loro sapore e consistenza manipolando il loro processo di maturazione. Anche le prestazioni dei prodotti vegetali durante la loro lavorazione possono essere migliorate con l'ingegneria genetica. Ad esempio, il primo alimento geneticamente modificato, il pomodoro Flavr-Savr è stato geneticamente manipolato per rallentare la sua maturazione e ha una durata di conservazione più lunga (Fig-2).

Un'altra strategia comune per controllare la maturazione è quella di frenare la produzione dell'etilene dell'ormone della maturazione. L'etilene è prodotto dalla S-adenosilmetionina per conversione in acido 1-ammino-ciclopropano-1-carbossilico (ACC) in presenza di ACC Synthase, seguito dalla generazione di etilene da una ossidasi ACC o da un enzima che forma etilene.

La maturazione può essere ritardata indirizzando i costrutti antisenso contro uno di questi enzimi o rimuovendo l'ACC con una deaminasi dell'ACC. I frutti possono quindi essere maturati come richiesto dall'esposizione a una fonte artificiale di etilene.

Malting e Brewing:

La produzione di birra comporta la germinazione dell'orzo in condizioni controllate. La qualità della birra dipende quindi in larga misura dalla composizione del chicco d'orzo. Molte qualità di questi grani possono essere sostanzialmente migliorate attraverso l'ingegneria genetica. Ad esempio, il miglioramento della stabilità degli enzimi d'orzo (specialmente ad alte temperature) può aumentare la sua efficacia alla temperatura utilizzata durante il mashing. Il sapore della birra può anche essere manipolato trattando geneticamente l'orzo. Una tale tecnica è quella di ridurre i livelli di lipo-ossigenasi.

Carboidrati di stoccaggio:

L'aumento dei livelli di alcuni enzimi come la pirofosforilasi ADP può migliorare la sintesi dell'amido dei prodotti alimentari. Questo può migliorare la resa dei cibi amidacei. La trasformazione può anche alterare le proprietà degli amidi vegetali. La proporzione di amilasi e amilopectina nell'amido e nella qualità può anche essere regolata. Ciò consentirebbe alla sartoria dell'amido di soddisfare i requisiti per determinati alimenti o prodotti industriali.

Piante transgeniche con livelli aumentati di fruttani (una forma di glucosio) sono già state prodotte utilizzando un levansucrase dai batteri. Il contenuto di saccarosio delle piante può anche essere manipolato per migliorare la qualità delle colture zuccherine come la canna da zucchero e la barbabietola da zucchero.

Resistenza alle malattie:

Resistenza agli insetti:

L'ingegneria genetica ha dimostrato di essere un vantaggio per la produzione di piante resistenti ai parassiti. Questa tecnologia ha superato le carenze dell'utilizzo di pesticidi chimici. Negli ultimi tempi, anche la tecnica di introdurre geni resistenti alle malattie in specie vegetali ha ottenuto una straordinaria popolarità.

Ad esempio, gli inibitori della proteasi possono impedire la digestione delle proteine ​​da parte degli insetti, e quindi rallentare il loro tasso di crescita. Il trasferimento di tali proteine ​​alle piante agisce come un meccanismo di protezione naturale contro gli attacchi di insetti.

Alcuni geni batterici si sono dimostrati molto efficaci nel prevenire danni da parassiti. Bacillus thuringiensis (Bt) produce tossina Bt, che è efficace contro le larve di insetti. Piante transgeniche che ospitano geni Bt sono state prodotte in colture come soia, mais e cotone e si sono dimostrate resistenti agli attacchi di parassiti.

Molti altri prodotti sierochimici (sostanze chimiche che alterano il comportamento degli insetti) sono prodotti da alcune specie di insetti e piante. Trasferirli in altre piante può essere molto efficace nel controllare l'incidenza della malattia. Per fare un altro esempio, il raccolto di patate suscettibile non contiene sostanze chimiche anti-feedant come la farnasi, un terpenoide e altri composti correlati.

Questi sono prodotti da specie vegetali resistenti agli afidi come il Solanum berthaultii (nei peli delle foglie). Questi composti agiscono suscitando una risposta di attacco negli afidi, in modo che non siano in grado di stabilirsi sul raccolto. Il trasferimento di questi geni nel raccolto di patate può proteggerlo dalla minaccia di afide.

Resistenza ai virus:

La produzione di piante transgeniche resistenti ai virus è una delle applicazioni di maggior successo nella trasformazione delle piante. Diverse strategie che coinvolgono l'espressione del genoma virale nella pianta si sono dimostrate efficaci. Ad esempio, l'espressione del gene della proteina di rivestimento da virus ha avuto ampio successo. L'espressione sia di senso che antisenso di parti del genoma virale può essere protettiva contro l'infezione virale.

Resistenza ai nematodi:

Nuovi geni per la resistenza ai nematodi offrono un approccio alternativo alla produzione di piante resistenti ai nematodi. L'ingegneria genetica offre l'opportunità di sviluppare piante transgeniche con resistenza genetica a questi parassiti di piante a lungo termine, riducendo così la dipendenza dai nematocidi chimici in agricoltura.

Resistenza agli erbicidi :

La scelta di un erbicida è molto critica in quanto comporta un alto rischio di indurre resistenza. Le erbacce possono sviluppare rapidamente più resistenza agli erbicidi in alcuni sistemi quando diverse classi di erbicidi agiscono sullo stesso bersaglio molecolare. Anche in questo caso, i geni di resistenza agli erbicidi offrono protezione disintossicando l'erbicida (convertendolo in una forma inattiva).

Migliorare l'efficienza fotosintetica:

Il processo di fotosintesi è il meccanismo più significativo per aggiungere energia alle piante. Tuttavia, anche le piante più efficienti possono utilizzare solo il 3-4% della piena luce solare. La biotecnologia viene ora utilizzata per migliorare il livello di efficienza fotosintetica di RuBPCase (ribosato bis fosfato carbossilasi, coinvolto nella fissazione del carbondioxide).

Ciò aumenta l'efficienza della catalisi e riduce la funzione di ossigenasi competitiva (dato che RuBP Case si comporta anche come ossigenasi). Varianti utili possono anche essere prodotte combinando i geni che codificano per sottounità grandi e piccole degli enzimi di specie diverse.

Due modi diversi per farlo sono:

Tolleranza allo Stress Abiotico:

La produttività delle piante subisce gravi perdite a causa di varie forme di stress nel corso del loro sviluppo. Questi fattori di stress includono temperatura, salinità, siccità, allagamenti, luce UV e varie infezioni. Mentre le basi molecolari di tali risposte non sono ancora chiare, sappiamo che esse includono la sintesi de novo di proteine ​​specifiche (sotto shock termico) ed enzimi (alcol deidrogenasi sotto anaerobiosi e fenil alanina ammino liaasi sotto irradiazione UV).

I geni che rispondono allo stress abiotico sono stati clonati e sequenziati in molti laboratori, incluso quello degli autori che hanno identificato e trasformato un gene codificante la gliossalasi 1 per conferire tolleranza alle piante.

Sono state anche identificate le sequenze regolatrici di alcuni geni. Ad esempio, la sequenza promotore 5 'di alcol deogenogenasi è stata collegata al gene del giornalista CAT (Chloremphenicol Acetyl Transferase) e trasferita a protoplasti di tabacco in cui è stata dimostrata un'espressione sensibile a O ₂ .

Questi promotori ambientalmente inducibili diventeranno certamente strumenti utili per studiare l'espressione genica e questo lavoro getterà le basi per il trasferimento di geni che reagiscono allo stress sotto promotori regolati a specie sensibili. Recentemente sono state sviluppate piante di pomodoro resistenti alla salinità.

I geni di vari organismi come le risorse marine possono anche essere usati per migliorare le piante in vari modi. Questo è un passo innovativo verso lo sviluppo di specie tolleranti al sale, trasferendo i geni dalle piante marine (alofite) alle colture di cereali e vegetali.

Allo stesso modo un gene, che codifica per una proteina di un pesce passera, è stato trasformato in piante per proteggerle da danni da congelamento. Questa proteina potrebbe essere utile per prevenire il danno da gelo nella conservazione post-raccolta. Pertanto, il congelamento potrebbe essere utilizzato per preservare la consistenza e il sapore di alcuni frutti e verdure, che al momento non sono adatti al congelamento.

Sviluppo della capacità di fissaggio dell'azoto nei raccolti non leguminosi:

Mentre l'applicazione di fertilizzanti azotati si è dimostrata una via efficiente per migliorare i raccolti, continua ad essere una proposta costosa. L'alternativa è fornire una fonte naturale di azoto all'interno della pianta. L'introduzione di microrganismi che fissano l'azoto può farlo.

Tali microrganismi sono in grado di fissare l'azoto atmosferico in presenza di batteri Rhizobium che fissano l'azoto. Trasformare i geni che fissano l'azoto (geni nif) dalle colture di leguminose a quelle non leguminose può offrire un'alternativa economica ai costosi fertilizzanti.

Tuttavia, altri modi per migliorare la resa di azoto nelle piante possono essere raggiunti aumentando l'efficienza del processo di fissazione nei batteri simbiotici, aumentando l'efficienza del processo di fissazione nei batteri sintetici, modificando i batteri che fissano l'azoto per mantenere la fissazione dell'azoto in presenza di esogeni azoto.

Sterilità citoplasmatica maschile :

Un sacco di ricerche sono state dedicate alla spiegazione del meccanismo di citoplasma della sterilità maschile (CMS). Questa caratteristica si traduce nella produzione di polline non funzionale in specie vegetali mature come sorgo, mais e barbabietola da zucchero, e quindi facilita la generazione di preziosi semi ibridi ad alto rendimento.

La sterilità maschile citoplasmatica in queste specie vegetali è fondamentalmente associata alla riorganizzazione del DNA mitocondriale e alla sintesi di nuovi polipeptidi. Gli strumenti biotecnologici in rapido sviluppo possono finalmente consentire il trasferimento del tratto CMS alle linee fertili maschili. La sterilità maschile geneticamente modificata ha anche un grande potenziale per la generazione di ibridi in agricoltura.

Sviluppo vegetale :

Lo sviluppo di una pianta è un processo complesso, che coinvolge il ruolo dei recettori della luce come l'espressione del gene del ftalocromo, del cloroplasto, dell'espressione genica mitocondriale in relazione alla sterilità maschile, all'accumulo del prodotto di stoccaggio e allo sviluppo degli organi di conservazione (frutti).

È ora possibile clonare e sequenziare vari geni responsabili dello sviluppo delle piante. Ciò ha aumentato la possibilità di manipolare l'espressione di questi geni e successivamente il processo in cui sono coinvolti. Ad esempio, è stato segnalato che i geni della fioritura precoce alterano le proprietà delle varietà a maturazione tardiva.

L'isolamento di specifici elementi promotori ha anche aiutato a progettare colture che esprimono proteine ​​in specifici tessuti. I geni responsabili della formazione del colore possono essere trasferiti alle piante che portano fiori incolori. Inoltre, la manipolazione dei geni che controllano la fioritura e la formazione dei pollini può generare piante transgeniche con un'alterata fertilità. Espressione del gene fogliare e APETALAI in Arabidopsis ha portato alla fioritura precoce.

Allo stesso modo, i recettori ormonali putativi nelle piante influenzano la sensibilità dei diversi tessuti ai regolatori della crescita e alla loro successiva differenziazione e sviluppo. L'introduzione di geni wild type o modificati per specifici regolatori di crescita si è dimostrata efficace nella manipolazione dello sviluppo delle piante (come cambiare il tempo di maturazione o il numero e la dimensione dei tuberi di patata). Questo approccio può essere applicato per modificare la risposta alla fioritura, lo sviluppo del frutto e l'espressione dei geni della proteina di conservazione.

Proteine ​​utili dalle piante :

Molte piante vengono ora utilizzate per produrre proteine ​​utili. Questo ha dato vita a Neutraceuticals - una parola coniata per il cibo confezionato. Questi alimenti sono anche noti come alimenti funzionali. I neutraceuticals includono tutti i cibi "designer" dai cereali da colazione arricchiti con vitamine al Benecol, una diffusione di margarina che abbassa il colesterolo LDL. Una società americana leader, Novartis Consumer Health, stima il mercato statunitense degli alimenti funzionali a circa dieci miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuale atteso del dieci per cento.

Produzione di vaccini da piante :

Le piante sono una ricca fonte di antigeni per l'immunizzazione degli animali. Le piante transgeniche possono essere sviluppate per produrre proteine ​​antigeniche o altre molecole. La produzione dell'antigene in una parte commestibile della pianta potrebbe rivelarsi una modalità di somministrazione facile ed efficace per l'antigene in una parte commestibile della pianta potrebbe rivelarsi una modalità di erogazione dell'antigene facile ed efficace.

Le potenziali applicazioni di questa tecnologia includono l'immunizzazione efficace di uomini e animali contro le malattie e il controllo degli animali nocivi. Ad esempio, gli antigeni del virus dell'epatite B sono stati espressi con successo nelle piante di tabacco e utilizzati per immunizzare i topi. I topi nutriti con patate che esprimono l'unità P-sub di E.coli enterotossina LT-B hanno anche prodotto anticorpi, proteggendo così contro la tossina batterica.

Questa tecnica promette di aprire la strada a un'immunizzazione economica contro diverse malattie umane. I vaccini orali contro il colera sono già stati espressi nelle piante. La generazione di antigeni attraverso le piante non è solo economica, ma può anche essere prodotta in serie e facilmente recuperata.