Kierunki genetycznych modyfikacji roślin Anna Białas

Plan seminarium: Co to są modyfikacje genetyczne? Modyfikacje w obrębie jednego gatunku Modyfikacje międzygatunkowe Rozwój modyfikacji genetycznych Rośliny modyfikowane genetycznie Wady i zalety modyfikacji

Organizm modyfikowany genetycznie to organizm inny niż organizm człowieka, w którym materiał genetyczny został zmieniony w sposób nie zachodzący w warunkach naturalnych wskutek: krzyżowania lub naturalnej rekombinacji. Jeżeli wymieniamy geny w obrębie jednego gatunku, mówimy o organizmach modyfikowanych genetycznie. Jeśli dokonujemy wymiany genów między roślinami lub zwierzętami nie spokrewnionymi, mamy do czynienia z organizmami transgenicznymi, a przenoszony gen to tzw. transgen. Po przeniesieniu transgenu jest on na stałe włączony do genomu gospodarza i od tej pory będzie obecny u wszystkich organizmów potomnych.

Krzyżowanie ♀♂ A a AA Aa aa Polega na kojarzeniu płciowym 2 genetycznie różnych osobników w wyniku zapylania kontrolowanego wybranych roślin. Prowadzi do powstania mieszańców, które mają inne kombinacje cech niż rodzice i stanowią materiał wyjściowy do wyhodowania nowych odmian. Efektem krzyżowania jest transgresja: P AA x aa F1 Aa F2 ♀♂ A a AA Aa aa

Pod względem charakteru, modyfikacje dzielimy na trzy grupy: Zmieniona zostaje aktywność genów naturalnie występujących w danym organizmie, ale w jego komórkach nie pojawia się żaden nowy gen (pomidor FlavrSavr). Do organizmu wprowadzone zostają dodatkowe kopie jego własnych genów. Do organizmu wprowadzony zostaje gen pochodzący z organizmu innego gatunku.

Kroki milowe w badaniach molekularnych i bioinżynierii roślin Co zrobiono Co stwierdzono/ co z tego wyniknęło Źródło 1953 Odkrycie struktury DNA Budowa- podwójna helisa Watson i Crick 1958 Wyizolowanie polimerazy DNA z E. coli Można syntetyzować DNA in vitro Kornberg 1963 Odkrycie kodu genetycznego Poznanie zasad trójkowego kodowania informacji genetycznej Crick 1967 Wyizolowanie ligazy DNA Możliwość łączenia między sobą fragmentów DNA Olivera & Lehman 1970 Izolacja nowego rodzaju enzymów- enzymów restrykcyjnych Można ciąć fragmenty DNA w miejscach rozpoznawanych przez dany enzym Smith & Wilcox 1972 Otrzymanie pierwszego rekombinanta DNA Połączono między sobą fragmenty DNA po ich przecięciu przez ER Jackson i zespół 1973 Wprowadzenie obcego DNA do komórek E. coli przez zrekombinowany plazmid Możliwość namnażania biologicznego zrekombinowanego DNA w kom. bakterii Cohen i zespół

Kroki milowe w badaniach molekularnych i bioinżynierii roślin c.d. Co zrobiono Co stwierdzono/ co z tego wyniknęło Źródło 1975 Praktyczna metoda sekwencjonowania fragmentów DNA Rozpoczął się szybki rozwój metod sekwencjonowania DNA Sanger 1984 Otrzymanie pierwszej transgenicznej petunii z wykorzystaniem agroinekcji do jej transformacji Opracowanie powszechnie obecnie używanej metody transformacji roślin dwuliściennych De Block i in., Horsch i in. Otrzymanie transgenicznego tytoniu metodą PEG Opracowanie metody transformacji poprzez bezpośrednie wprowadzenie DNA do protoplastów Paszkowski i in. 1986 Odkrycie łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) Przedstawiono możliwość namnażania DNA in vitro. Następuje gwałtowny rozwój technologii PCR Mullis, Ausbel i zespół 1990 Otrzymanie kukurydzy transgenicznej z zastosowaniem strzelby genowej Opracowanie metody transformacji roślin jednoliściennych Gordon- Kamm i in. 1994 Pomidor transgeniczny Flavr- Savr na rynku USA Pierwsza roślina transgeniczna w uprawie Monsanto

Metody tworzenia genetycznie zmodyfikowanych organizmów Metoda z wykorzystaniem wektora. Polega na zastosowaniu wektora do wprowadzenia materiału genetycznego do komórek roślinnych. Wektorami są bakterie z rodzaju Rhizobium: Agrobacterium tumefaciens i Agrobacterium rhizogenes, które posiadają naturalną zdolność do wprowadzania swojego DNA do roślin.

Przykład metody tworzenia genetycznie zmodyfikowanych organizmów z wykorzystaniem wektora i mikrowstrzeliwania

Metody tworzenia genetycznie zmodyfikowanych organizmów 2. Metody bez wykorzystania wektora. Są to metody polegające na bezpośrednim wprowadzeniu DNA do komórek roślinnych. Aby fragment DNA mógł być wprowadzony do komórki gospodarza, ta musi być pozbawiona ściany komórkowej (oprócz mikrowstrzeliwania). W tym celu można poddać ją działaniu enzymów degradujących. Otrzymuje się w ten sposób tzw. protoplast, którego błona komórkowa stanowi koleją barierę dla transgenu, wprowadzanego do komórek.

Do pokonania przeszkody, jaka jest błona komórkowa służą metody fizyczne i chemiczne. - Elektroporacja, polega na wykorzystaniu serii impulsów elektrycznych, które naruszają strukturę błony, powodując powstanie w niej porów, przez które DNA może przeniknąć do wnętrza komórki. Podejście to może być stosowane też przy wprowadzaniu genów do innych komórek - zwierzęcych, bakteryjnych. - Mikrowstrzeliwanie, wykorzystuje mikroskopijne kulki ze złota lub wolframu o średnicy 0,5 - 5 mikrometra. Fragmenty DNA które pragnie się wprowadzić do komórek są opłaszczane na kulkach, a następnie wstrzeliwane do komórek roślinnych. Używana jest do tego tzw. "armatka genowa" (ang. particle gun).

Mikroiniekcja Metody chemiczne: Z użyciem PEG, polega na wykorzystaniu glikolu polietylenowego (PEG od ang. polyethylene glycol), który powoduje zwiększenie przepuszczalności błony komórkowej, poprzez prowadzenie do jej chwilowej, odwracalnej dezorganizacji. To pozwala na wniknięcie transgenu do komórek, wraz z DNA nośnikowym. - Fuzja liposomów tworzone są liposomy, wewnątrz których znajdują się cząsteczki DNA. Tworzy się je poprzez utworzenie podwójnej błony lipidowej na roztworze z cząsteczkami DNA i wstrząsanie- nie powstają wtedy "kuleczki" błonowe z DNA w środku. Liposomy łączą się z protoplastami komórek wprowadzając do środka DNA. Mikroiniekcja polega na wprowadzeniu DNA za pomocą igły mikromanipulatora, doświadczenie wykonywanie jest ręcznie przez człowieka.

Modyfikacje roślin - typy Odporność na herbicydy - chemiczne środki ochrony roślin, środki chwastobójcze. Są to najpowszechniejsze modyfikacje roślin. Uzyskana odporność rośliny, pozwala na stosowanie herbicydu, bez obawy o zniszczenie upraw. Modyfikowana roślina posiada albo zupełnie nowe, albo dodatkowe kopie obecnego już w niej genu, który odpowiedzialny jest za wytwarzanie enzymów rozkładających herbicydy. Roślina mogąca rozkładać herbicydy staje się na nie odporna. -odporność na herbicyd RoundUp (glifosat)

2. Odporność na choroby powodowane przez grzyby, wirusy, bakterie 2. Odporność na choroby powodowane przez grzyby, wirusy, bakterie. Wprowadzenie transgenu kodującego enzymy: -hitynaza, -glukanaza, które niszczą ścianę komórkową grzybów i bakterii. Odporność na wirusy uzyskuje się poprzez wprowadzenie do rośliny genów białek płaszcza (kapsydu) danego wirusa, a także jego enzymów: -replikazy, -proteazy.

3. Odporność na owady - szkodniki 3. Odporność na owady - szkodniki. Gen do nadania takiej odporności - gen Bt – uzyskuje się z bakterii glebowej Bacillus thuringensis. Gen ten koduje specyficzne białko – Cry, które jest toksyczne dla owadów. Szkodnik po zjedzeniu komórek rośliny umiera. Białko uzyskuje swoją toksyczność tylko wewnątrz przewodu pokarmowego określonych gatunków szkodników, nie jest toksyczne dla innych organizmów np. człowieka.

4. Odporność na niekorzystne warunki. środowiska: 4. Odporność na niekorzystne warunki środowiska: - zbyt niską lub zbyt wysoka temperaturę, - suszę, - zasolenie gleby - nadmierne promieniowanie - zanieczyszczenie środowiska (metale ciężkie znajdujące się w glebie).

5. Poprawa cech jakościowych oraz użytkowych roślin: zwiększenie zawartości suchej masy, opóźnienie dojrzewania (zwiększenie trwałości), wprowadzenie genów odpowiedzialnych za: produkcję białek odżywczych, większą zawartość mikroelementów, nadanie lepszego smaku i intensywniejszego aromatu, usuwanie substancji alergizujących, zmiana intensywności i odcienia zabarwienia.

Zakres, cel i przykłady modyfikacji genetycznej roślin uprawnych Pożądane zmiany w wegetatywnych częściach roślin bez znaczących zmian składu chemicznego generatywnych części zwiększenie tolerancji na działanie herbicydów, choroby wirusowe i grzybowe zmiany architektury roślin oraz terminu kwitnienia i dojrzewania zwiększenie tolerancji na stres środowiskowy II0 Zmiany w składzie chemicznym i wartości użytkowej jadalnych części roślin zwiększenie zawartości niedoborowych aminokwasów „projektowanie olejów roślinnych”, poprawa cech sensorycznych produktu III0 Synteza specyficznych, zazwyczaj gatunkowo obcych, substancji chemicznych produkcja farmaceutyków i szczepionek roślinnych, zmiany kompleksu celulozowo-ligninowego oraz właściwości skrobi przydatnych w produkcji naturalnych biodegradowalnych opakowań, zwiększenie zdolności wybranych roślin do kumulowania w glebie składników niepożądanych

Początki modyfikacji genetycznych roślin: 1986 r.- tytoń 1994 r.- pomidory FlavrSavr 1995 r.- dynia 1996 r.- kukurydza, soja 1997 r.- rzepak Na liście żywności lub jej składników pochodzących z roślin transgenicznych występującej na rynku UE do kwietnia 2004 umieszczono 16 produktów: 5 - pochodzących z kukurydzy, 7- z rzepaku, 2 - z bawełny (olej z nasion), 1 - z soi, witamina B2.

Najczęściej uprawiane rośliny modyfikowane genetycznie, w 2004 roku:

Rośliny transgeniczne –przykłady Soja Odporność na wirusy, herbicydy, szkodniki Obniżenie zawartości kw. palmitynowego Rzepak Odporność na herbicydy, Zmniejszona zawartość nienasyconych kw. tłuszczowych Większa zawartość kw. laurynowego Kukurydza Odporność na owady „źródło żelaza” Pomidory Spowolnienie dojrzewania, większa trwałość Większa zawartość suchej masy, Intensywniejsza barwa, cieńsza skórka Ziemniaki Wzrost zawartości skrobi Odporność na wirusy, herbicydy, stonkę ziemniaczaną Odporność na ciemnienie pouderzeniowe, większa trwałość

Rośliny transgeniczne –przykłady Truskawki Wyższa słodkość owoców, Spowolnienie dojrzewania Odporność na mróz Buraki cukrowe Odporność na herbicydy, szkodniki Dłuższy okres przechowywania bez strat w zawartości cukru Ryż Zwiększona produkcja β-karotenu Sałata Produkująca szczepionkę na zapalenie wątroby typu B Pszenica Zwiększenie zawartości glutenu Dynia Odporność na grzyby Banany Odporność na wirusy i grzyby Winogrona Odmiany bezpestkowe Seler, marchew Zachowanie kruchości

Kraje o największej powierzchni upraw transgenicznych:

Żywność genetycznie modyfikowana Jest to żywność wyprodukowana z roślin lub zwierząt lub za ich pomocą, które zostały wcześniej ulepszone za pomocą technik inżynierii genetycznej. Są to artykuły spożywcze zawierające produkty modyfikacji genetycznej: – żywność będąca GMO (np. świeże pomidory i ziemniaki), – żywność zawierająca przetworzone GMO (np. koncentraty zup z pomidorów, frytki mrożone), (np. czekolada zawierająca lecytynę z transgenicznej soi), – żywność produkowana z zastosowaniem GMO (np. chleb pieczony z wykorzystaniem transgenicznych drożdży, piwo i inne produkty fermentacji alkoholowej produkowane z zastosowaniem drożdży transgenicznych), – produkty żywnościowe pochodne GMO, lecz nie zawierające żadnych komponentów „ transgenicznych” (np. olej rzepakowy otrzymywany z transgenicznego rzepaku, cukier z transgenicznych buraków).

Klasyfikacja i przykłady obaw związanych z upowszechnieniem produktów zawierających GMO Charakter zastrzeżeń Przykłady Wątpliwości natury etycznej Niechęć wielu osób w stosunku do działań odbieranych jako „poprawiania natury”. Obawy przed niekorzystnymi skutkami ekologicznymi Możliwość zdominowania upraw przez odmiany zmodyfikowane i groźbę ograniczenia bioróżnorodności; Możliwość pojawienia się superchwastów odpornych na herbicydy; Kłopoty z zachwaszczeniem upraw przez odporne na herbicydy rośliny uprawiane w poprzednim roku; Groźba transferu wprowadzonych fragmentów DNA do innych organizmów skutkującego pojawieniem się nowych patogennych bakterii i wirusów; Możliwy niekorzystny wpływ transgenów, np. produkujących Bt toksyny, na organizmy bytujące w środowisku, np. pożyteczne owady. Ryzyko negatywnych następstw ekonomicznych Możliwość, że tańsze produkty z GMO będą wypierać rodzimą produkcję konwencjonalnych surowców spożywczych i paszowych; Możliwość działania dumpingowego konsorcjów biotechnologicznych, obliczonego na późniejszą, rekompensatę ekonomiczną. Zagrożenia dla odżywczych i zdrowotnych właściwości pasz i żywności Możliwość ujawnienia się niekorzystnego, niezamierzonego efektu transgenezy, przeoczonego standardowymi technikami analitycznymi lub występującego w dłuższym okresie stosowania pasz i żywności z surowców transgenicznych.

Podsumowanie Modyfikacje roślin prowadzą do otrzymania odmian odpornych na choroby powodowane przez różnego rodzaju patogenny, jak np. grzyby czy wirusy, a to z kolei może pozwolić na ograniczenie zużycia środków ochrony roślin. Tym samym dzięki GMO uprawy mogą stać się bardziej przyjazne dla środowiska. Poprawiają się też ich cechy użytkowe, smak, wygląd, skład chemiczny. np. transgeniczna odmiany pomidora, które odznaczają się większą trwałością, a tym samym mogą być dłużej przechowywane i łatwiej znoszą transport. Dzięki inżynierii genetycznej możliwe jest też poprawienie składu otrzymywanych produktów. Przykładem może być rzepak, którego modyfikacje doprowadziły do uzyskania odmian o zmniejszonej zawartości nienasyconych kwasów tłuszczowych lub ryż, który produkuje większe ilości β-karotenu będącego prekursorem witaminy A. Nie bez znaczenia są też względy ekonomiczne. Rośliny GMO odznaczają się często lepszym smakiem, ładniej wyglądają, są bardziej dorodne, co może oczywiście skłaniać klienta do ich zakupu. Podobnie możliwość zmniejszonego użycia chemicznych środków ochrony roślin, może prowadzić do obniżenia kosztów produkcji, a tym samym do obniżenia cen produktów proponowanych odbiorcy. Odporność na trudne warunki wzrostu (susza, zasolenie gleby) oraz potencjalnie wyższe plony, w porównaniu z tradycyjnymi odmianami, sprawiają, że genetycznie modyfikowane rośliny mogą pomóc w eliminacji problemu głodu w krajach Trzeciego Świata.

Dziękuję za uwagę 