Các ứng dụng khác nhau của Công nghệ sinh học thực vật

Ứng dụng của công nghệ sinh học thực vật!

Kỹ thuật di truyền của các nhà máy cung cấp một cơ hội để thay đổi tính chất hoặc hiệu suất của chúng để cải thiện tiện ích của chúng. Công nghệ như vậy có thể được sử dụng để sửa đổi sự biểu hiện của các gen đã có trong thực vật hoặc để giới thiệu các gen mới của các loài khác mà cây không thể được nhân giống thông thường. Do đó, nó mang lại hiệu quả cao hơn cho việc thực hiện các mục đích nhân giống thông thường.

Một trong những ứng dụng quan trọng của các kỹ thuật như vậy nằm ở việc thêm các gen đơn vào các loại thực vật mong muốn. Chuyển đổi thực vật có thể được sử dụng để giới thiệu các đặc tính mới hoặc mới tạo ra một thị trường mới hoặc thay thế các sản phẩm thông thường. Sự cải thiện có thể liên quan đến giá trị dinh dưỡng của nhà máy hoặc các tính chất chức năng trong chế biến hoặc thậm chí tiêu thụ mỗi se.

Trên hết, công nghệ này mở rộng khả năng chuyển gen giữa các sinh vật không liên quan và do đó tạo ra thông tin di truyền mới bằng cách thay đổi cụ thể các gen nhân bản. Chúng ta hãy thảo luận về ý nghĩa của công nghệ này chi tiết hơn.

Chất lượng thực phẩm:

Chất lượng dinh dưỡng :

Cây giống đóng một vai trò quan trọng trong dinh dưỡng của con người và động vật. Chỉ một vài loại ngũ cốc đóng góp tới gần năm mươi phần trăm tổng lượng calo thực phẩm. Tương tự, bảy loài cây họ đậu chiếm một phần lớn lượng calo của chúng ta.

Tuy nhiên, ngũ cốc và các loại đậu có chứa một số protein thiếu axit amin như lysine và threonine. Các loại đậu cũng bị thiếu axit amin lưu huỳnh. Một số cây trồng hạt giống khác như lúa gạo cung cấp một sự cân bằng tốt hơn của các axit amin, nhưng giảm về mức độ protein tổng thể của chúng.

Logic thông thường theo sau rằng mỗi loại thực phẩm này có thể được hoàn thiện nếu thiếu sót của chúng có thể được khắc phục bằng cách mượn những đặc điểm còn thiếu từ các loại cây trồng khác. Đó chính xác là những gì công nghệ sinh học thực vật làm - việc chuyển một hoặc nhiều gen cho thực vật thiếu các thành phần quan trọng.

Gần đây, Giáo sư Ingo Potrykus tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (Zurich) và Tiến sĩ Peter Beyer của Đại học Freiburg (Đức) đã phát triển 'Golden Rice', có hàm lượng pro-vitamin A hoặc b-carotene cao hơn.

Loại gạo biến đổi này dự kiến ​​sẽ mang lại lợi ích dinh dưỡng cho những người mắc các bệnh liên quan đến thiếu vitamin A, bao gồm mù lòa không thể đảo ngược ở hàng trăm ngàn trẻ em mỗi năm. Hàm lượng vitamin A đầy đủ cũng có thể làm giảm tỷ lệ tử vong liên quan đến các bệnh truyền nhiễm như tiêu chảy và sởi ở trẻ em bằng cách tăng cường hoạt động của hệ thống miễn dịch của con người.

Các công cụ di truyền có thể được sử dụng để thay đổi hàm lượng carbohydrate, chất béo, chất xơ và vitamin trong thực phẩm. Một ứng dụng hữu ích khác là chọn gen từ các loại ngũ cốc giàu protein và chuyển chúng sang thực phẩm ít protein. Trên thực tế, một thí nghiệm tương tự đã được thực hiện tại Đại học Jawaharlal Nehru của New Delhi, nơi các nhà khoa học đã chuyển một gen từ rau dền (Chaulai) vào một củ khoai tây. Khoai tây đăng ký tăng không chỉ về hàm lượng protein, mà còn về kích thước của nó.

Các công cụ biến đổi gen cũng đang được sử dụng để cải thiện giá trị dinh dưỡng của cây trồng bằng cách giảm các yếu tố chống dinh dưỡng của chúng (như chất ức chế protease và haemaglutinin trong cây họ đậu). Các vấn đề liên quan đến đầy hơi trong một số loại thực phẩm cũng có thể được giải quyết bằng cách thao túng hàm lượng chất xơ và oligosacarit.

Ứng dụng công nghệ sinh học là cực kỳ hữu ích trong trường hợp lúa mì là tốt. Chất lượng của lúa mì được xác định bởi sự hiện diện của protein lưu trữ hạt của hạt. Do đó, chất lượng của nó có thể được cải thiện bằng cách điều khiển sự hiện diện của các protein này. Nhiều protein gluten cũng có thể được thêm vào để tăng cường độ đàn hồi cho bột. Hơn nữa, hàm lượng tinh bột của lúa mì có thể được thay đổi để phù hợp với tính chất của các sản phẩm như mì.

Chất lượng chức năng:

Chuyển đổi có thể được áp dụng cho trái cây và rau quả để cải thiện hương vị và kết cấu của chúng bằng cách điều khiển quá trình trưởng thành của chúng. Hiệu suất của các sản phẩm thực vật trong quá trình chế biến của chúng cũng có thể được cải thiện bằng kỹ thuật di truyền. Ví dụ, thực phẩm biến đổi gen đầu tiên, cà chua Flavr-Savr đã được chế biến di truyền để làm chậm quá trình chín của nó và có thời hạn sử dụng lâu hơn (Hình 2).

Một chiến lược phổ biến khác để kiểm soát quá trình chín là hạn chế sản xuất hormone ethylene chín. Ethylene được sản xuất từ ​​S-adenosylmethionine bằng cách chuyển đổi thành 1-amino-cyclopropane-1-Carboxylic acid (ACC) với sự hiện diện của ACC Synthase, tiếp theo là tạo ra ethylene bởi enzyme oxy hóa ACC hoặc enzyme ethylene.

Quá trình chín có thể bị trì hoãn bằng cách định hướng các cấu trúc antisense chống lại một trong hai enzyme này hoặc bằng cách loại bỏ ACC bằng ACC deaminase. Trái cây sau đó có thể được chín theo yêu cầu bằng cách tiếp xúc với một nguồn ethylene nhân tạo.

Malting và sản xuất bia:

Việc sản xuất bia liên quan đến sự nảy mầm của lúa mạch trong các điều kiện được kiểm soát. Chất lượng bia do đó phụ thuộc phần lớn vào thành phần của hạt lúa mạch. Nhiều phẩm chất của các loại ngũ cốc này có thể được cải thiện đáng kể thông qua kỹ thuật di truyền. Ví dụ, cải thiện tính ổn định của các enzyme lúa mạch (đặc biệt là ở nhiệt độ cao) có thể tăng cường hiệu quả của nó ở nhiệt độ được sử dụng trong quá trình nghiền. Hương vị của bia cũng có thể được chế tác bằng cách xử lý gen lúa mạch. Một kỹ thuật như vậy là làm giảm nồng độ lipo-oxyase.

Lưu trữ carbohydrate:

Tăng mức độ của một số enzyme nhất định như ADP pyrophosphorylase có thể tăng cường tổng hợp tinh bột của các sản phẩm thực phẩm. Điều này có thể cải thiện năng suất của thực phẩm tinh bột. Chuyển đổi cũng có thể thay đổi các thuộc tính của tinh bột thực vật. Tỷ lệ amylase và amylopectin trong tinh bột và chất lượng cũng có thể được quy định. Điều này sẽ cho phép may tinh bột để đáp ứng yêu cầu cho các loại thực phẩm cụ thể hoặc các sản phẩm công nghiệp.

Cây chuyển gen có hàm lượng fructans tăng (một dạng glucose) đã được sản xuất bằng cách sử dụng levansucrase từ vi khuẩn. Hàm lượng sucrose của cây cũng có thể được chế tác để tăng cường chất lượng của cây trồng đường như mía và củ cải đường.

Kháng bệnh:

Kháng côn trùng:

Kỹ thuật di truyền đã được chứng minh là một lợi ích cho việc sản xuất các loại cây kháng sâu bệnh. Công nghệ này đã khắc phục những thiếu sót trong việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học. Cuối cùng, kỹ thuật đưa gen kháng bệnh vào các loài thực vật cũng đã trở nên phổ biến rộng rãi.

Ví dụ, các chất ức chế protease có thể ngăn chặn sự tiêu hóa protein của côn trùng và do đó làm chậm tốc độ tăng trưởng của chúng. Việc chuyển các protein như vậy cho cây hoạt động như một cơ chế bảo vệ tự nhiên chống lại sự tấn công của côn trùng.

Một số gen vi khuẩn cũng đã được chứng minh là khá hiệu quả trong việc ngăn ngừa thiệt hại do sâu bệnh. Bacillus thuringiensis (Bt) tạo ra Bt Toxin, có hiệu quả chống lại ấu trùng côn trùng. Cây chuyển gen chứa gen Bt đã được sản xuất trong các loại cây trồng như đậu nành, ngô và bông, và đã được chứng minh là có khả năng chống lại các cuộc tấn công sâu bệnh.

Nhiều hóa chất huyết thanh khác (hóa chất làm thay đổi hành vi của côn trùng) được sản xuất bởi một số loài côn trùng và thực vật. Chuyển những thứ này sang cây khác có thể rất hiệu quả trong việc kiểm tra tỷ lệ mắc bệnh. Lấy một ví dụ khác, cây khoai tây mẫn cảm không chứa các hóa chất chống ăn như farnase, terpenoid và các hợp chất liên quan khác.

Chúng được sản xuất bởi các loài thực vật kháng rệp như Solanum berthaultii (ở lông lá). Các hợp chất này hoạt động bằng cách gợi ra một phản ứng tấn công trong rệp, do đó chúng không thể tự thiết lập trên cây trồng. Chuyển các gen này sang cây khoai tây có thể bảo vệ nó khỏi mối đe dọa rệp.

Kháng vi-rút:

Sản xuất cây chuyển gen có khả năng kháng vi-rút là một trong những ứng dụng thành công nhất của chuyển đổi cây trồng. Một số chiến lược liên quan đến sự biểu hiện của bộ gen virut trong cây đã được chứng minh là có hiệu quả. Ví dụ, sự biểu hiện của gen protein áo từ virus đã thành công rộng rãi. Cả hai ý nghĩa và biểu hiện antisense của các bộ phận của bộ gen virus có thể được bảo vệ chống lại nhiễm virus.

Kháng tuyến trùng:

Các gen tiểu thuyết cho kháng tuyến trùng cung cấp một cách tiếp cận khác để sản xuất các cây kháng tuyến trùng. Kỹ thuật di truyền cung cấp một cơ hội để phát triển các cây chuyển gen có tính kháng di truyền đối với các loài gây hại thực vật dài hạn này, và do đó làm giảm sự phụ thuộc vào các chất hóa học trong nông nghiệp.

Kháng thuốc diệt cỏ :

Việc lựa chọn một loại thuốc diệt cỏ là rất quan trọng vì nó có nguy cơ kháng thuốc cao. Cỏ dại có thể nhanh chóng phát triển nhiều loại kháng thuốc diệt cỏ trong một số hệ thống khi một số loại thuốc diệt cỏ tác động lên cùng một mục tiêu phân tử. Một lần nữa, các gen kháng thuốc diệt cỏ cung cấp sự bảo vệ bằng cách giải độc thuốc diệt cỏ (chuyển nó thành dạng không hoạt động).

Tăng cường hiệu quả quang hợp:

Quá trình quang hợp là cơ chế quan trọng nhất để bổ sung năng lượng cho cây. Tuy nhiên, ngay cả những nhà máy hiệu quả nhất cũng chỉ có thể sử dụng khoảng ba đến bốn phần trăm ánh sáng mặt trời. Công nghệ sinh học hiện đang được sử dụng để cải thiện mức độ hiệu quả quang hợp của RuBPCase (Ribulose bis phosphate carboxylase, liên quan đến cố định carbondioxide).

Điều này giúp tăng cường hiệu quả của xúc tác và làm giảm chức năng oxyase cạnh tranh (vì RuBP Case cũng hoạt động như một oxyase). Các biến thể hữu ích cũng có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các gen mã hóa cho các đơn vị con lớn và nhỏ của các enzyme từ các loài khác nhau.

Hai cách khác nhau để làm điều này là:

Dung nạp stress phi sinh học:

Năng suất của nhà máy chịu tổn thất lớn do các dạng căng thẳng khác nhau trong quá trình phát triển của chúng. Những yếu tố căng thẳng này bao gồm nhiệt độ, độ mặn, hạn hán, lũ lụt, tia UV và các bệnh nhiễm trùng khác nhau. Mặc dù cơ sở phân tử của các phản ứng như vậy vẫn chưa rõ ràng, chúng tôi biết rằng chúng bao gồm sự tổng hợp de novo của các protein cụ thể (bị sốc nhiệt độ) và các enzyme (rượu dehydrogenase dưới tác dụng kỵ khí và phenyl alanine amino lyase dưới tia UV).

Các gen phản ứng với stress phi sinh học đã được nhân bản và giải trình tự trong nhiều phòng thí nghiệm, bao gồm cả các tác giả đã xác định và biến đổi gen mã hóa glyoxalase 1 để tạo ra tính chống chịu cho thực vật.

Trình tự quy định của một số gen cũng đã được xác định. Ví dụ, trình tự khởi động 5 của rượu dehyhrogenase đã được liên kết với gen phóng viên CAT (Chloremphenicol Acetyl Transferase) và được chuyển đến các nguyên mẫu thuốc lá trong đó biểu hiện nhạy cảm O ₂ đã được chứng minh.

Các nhà quảng bá cảm ứng môi trường như vậy chắc chắn sẽ trở thành công cụ hữu ích để nghiên cứu biểu hiện gen và công việc này sẽ đặt nền tảng cho việc chuyển các gen phản ứng căng thẳng dưới các nhà quảng bá quy định sang các loài nhạy cảm. Gần đây cây cà chua có khả năng chống chịu mặn đã được phát triển.

Các gen từ các sinh vật khác nhau như tài nguyên biển cũng có thể được sử dụng để cải thiện thực vật theo nhiều cách khác nhau. Đây là một bước tiến đổi mới để phát triển các loài chịu mặn, bằng cách chuyển gen từ thực vật biển (halophytes) sang cây ngũ cốc và rau.

Tương tự như một gen, mã hóa protein từ một con cá bơn, đã được chuyển đổi thành thực vật để bảo vệ chúng chống lại thiệt hại đóng băng. Protein này có thể hữu ích trong việc ngăn ngừa thiệt hại do sương giá trong việc lưu trữ sau thu hoạch. Do đó, đông lạnh có thể được sử dụng để bảo quản kết cấu và hương vị của một số loại trái cây và rau quả, hiện không phù hợp để đông lạnh.

Phát triển năng lực cố định đạm trong cây trồng không phải là cây họ đậu:

Trong khi việc áp dụng phân bón nitơ đã được chứng minh là một con đường hiệu quả để cải thiện năng suất cây trồng, nó tiếp tục là một đề xuất đắt tiền. Thay thế là cung cấp một nguồn nitơ tự nhiên trong nhà máy. Giới thiệu vi sinh vật cố định đạm có thể làm điều này.

Các vi sinh vật như vậy có khả năng cố định nitơ trong khí quyển với sự hiện diện của vi khuẩn cố định đạm Rhizobium. Việc chuyển đổi các gen cố định đạm (gen nif) từ cây họ đậu sang cây trồng không đậu có thể mang lại một sự thay thế hiệu quả về mặt chi phí cho các loại phân bón đắt tiền.

Tuy nhiên, có thể đạt được các cách khác để cải thiện năng suất nitơ trong thực vật bằng cách tăng hiệu quả của quá trình cố định ở vi khuẩn cộng sinh, tăng hiệu quả của quá trình cố định ở vi khuẩn tổng hợp, điều chỉnh vi khuẩn cố định đạm để duy trì sự cố định nitơ khi có ngoại sinh nitơ.

Vô sinh nam tế bào chất :

Rất nhiều nghiên cứu đã đi vào giải thích cơ chế của Vô sinh nam tế bào chất (CMS). Đặc điểm này dẫn đến việc sản xuất phấn hoa không chức năng ở các loài thực vật trưởng thành như lúa miến, ngô và củ cải đường, và do đó tạo điều kiện cho việc tạo ra hạt lai có năng suất cao có giá trị.

Vô sinh nam tế bào chất ở các loài thực vật này về cơ bản có liên quan đến việc tái tổ chức DNA ty thể và tổng hợp các polypeptide mới. Các công cụ công nghệ sinh học đang phát triển nhanh chóng cuối cùng có thể cho phép chuyển tính trạng CMS sang các dòng màu mỡ nam. Vô sinh nam biến đổi gen cũng có tiềm năng lớn để tạo ra các giống lai trong nông nghiệp.

Phát triển thực vật :

Phát triển của cây là một quá trình phức tạp, bao gồm vai trò của các thụ thể ánh sáng như phytochrom, biểu hiện gen lục lạp, biểu hiện gen ty thể liên quan đến vô sinh nam, tích lũy sản phẩm lưu trữ và phát triển cơ quan lưu trữ (trái cây).

Bây giờ có thể nhân bản và giải trình tự các gen khác nhau chịu trách nhiệm cho sự phát triển của thực vật. Điều này đã làm tăng khả năng thao túng sự biểu hiện của các gen này và sau đó là quá trình chúng tham gia. Ví dụ, các gen ra hoa sớm đã được báo cáo để thay đổi tính chất của các giống trưởng thành muộn.

Sự cô lập của các yếu tố thúc đẩy cụ thể cũng đã giúp thiết kế cây trồng biểu hiện protein trong các mô cụ thể. Các gen chịu trách nhiệm hình thành màu sắc có thể được chuyển sang cây mang hoa không màu. Hơn nữa, thao tác của các gen kiểm soát sự ra hoa và hình thành phấn hoa có thể tạo ra cây chuyển gen với khả năng sinh sản thay đổi. Biểu hiện của gen lá và APETALAI trong cây Arabidopsis đã dẫn đến sự ra hoa sớm.

Tương tự, các thụ thể hoóc môn giả định trong thực vật ảnh hưởng đến sự nhạy cảm của các mô khác nhau đối với các chất điều hòa tăng trưởng, và sự khác biệt và phát triển tiếp theo của chúng. Sự ra đời của các loại gen hoang dã hoặc biến đổi gen cho các chất điều hòa sinh trưởng cụ thể đã chứng minh hiệu quả trong việc điều khiển sự phát triển của cây (như thay đổi thời gian trưởng thành hoặc số lượng và kích thước của củ khoai tây). Cách tiếp cận này có thể được áp dụng để sửa đổi phản ứng ra hoa, phát triển quả và biểu hiện của gen protein lưu trữ.

Protein hữu ích từ thực vật :

Nhiều nhà máy hiện đang được sử dụng để sản xuất protein hữu ích. Điều này đã sinh ra Neutroffees - một từ được đặt ra cho thực phẩm tạo thành. Những thực phẩm này còn được gọi là thực phẩm chức năng. Các dược phẩm trung tính bao gồm tất cả các loại thực phẩm 'thiết kế' từ ngũ cốc ăn sáng giàu vitamin đến Benecol, một loại bơ thực vật làm giảm cholesterol LDL. Một công ty hàng đầu của Mỹ, Novartis Consumer Health, ước tính thị trường Mỹ cho thực phẩm chức năng vào khoảng mười tỷ đô la, với tốc độ tăng trưởng dự kiến ​​hàng năm là mười phần trăm.

Sản xuất vắc-xin từ thực vật :

Thực vật là một nguồn kháng nguyên phong phú cho việc tiêm chủng cho động vật. Cây chuyển gen có thể được phát triển để tạo ra protein kháng nguyên hoặc các phân tử khác. Sản xuất kháng nguyên trong một phần ăn được của cây có thể chứng minh là một chế độ phân phối dễ dàng và hiệu quả đối với kháng nguyên trong phần ăn được của cây có thể là một chế độ phân phối dễ dàng và hiệu quả của kháng nguyên.

Các ứng dụng tiềm năng của công nghệ này sẽ bao gồm tiêm chủng hiệu quả cho người và động vật chống lại bệnh tật và kiểm soát dịch hại của động vật. Ví dụ, các kháng nguyên đối với virus Viêm gan B đã được thể hiện thành công trên cây thuốc lá và được sử dụng để tiêm chủng cho chuột. Những con chuột được cho ăn khoai tây biểu hiện đơn vị P-sub của E.coli enterotoxin LT-B cũng đã tạo ra kháng thể, do đó bảo vệ chống lại độc tố vi khuẩn.

Kỹ thuật này hứa hẹn sẽ mở đường cho việc tiêm chủng rẻ tiền chống lại một số bệnh ở người. Vắc-xin uống chống dịch tả đã được thể hiện trong thực vật. Việc tạo ra các kháng nguyên thông qua thực vật không chỉ hiệu quả về chi phí mà còn có thể được sản xuất hàng loạt và dễ dàng phục hồi.