Biotechnologiczne metody ochrony upraw rolnych i zwiększenia wydajności produkcji roślinnej

Inżynieria genetyczna i komórkowa roślin Techniki regeneracji rośliny z fragmentów rośliny wyjściowej

Otrzymywanie kalusa i hodowli zawiesinowej komórek roślinnych

Inżynieria genetyczna i komórkowa roślin Stosunek auksyn do cytokinin determinuje sposób wzrostu 10:1 – tworzenie kalusa 4:1 – organogeneza, tworzenie odnóżek 100:1 – organogeneza, tworzenie korzeni Tworzenie kalusa i hodowli zawiesinowej komórek roślinnych

Inżynieria genetyczna i komórkowa roślin Metody izolacji i identyfikacji genów roślinnych

Działanie (cel molekularny, efekt) Gen (białko) Czynnik selekcyjny Działanie (cel molekularny, efekt) npt11 (NPT11) neo (NPT11) hpt (HPT) bar (PAT), pat gox EPSPS dhfr csr-1-1 uid (GUS) luc gfp (GFP) Kanamycyna Neomycyna Higromycyna Fosfinotricyna Glyfosat Metotreksat Sulfonylomoczmik -glukuronidaza Lucyferaza Białko fluoryzujące Podjednostka 30S rybosomu Elongacja łańcucha polipeptydowego Acetylotransferaza fosfonotricyny Oksydoreduktaza glyfosatu Syntaza EPSP Reduktaza dihydrofolianowa Syntaza acetomleczanu Niebieskie zabarwienie Emisja światła Niektóre geny markerowe stosowane w technikach transformacji komórek roślinnych

Rośliny transgeniczne Techniki konstrukcji roślin transgenicznych

Wprowadzanie DNA do roślin Narośl powstająca w wyniku zainfekowania rośliny przez Agrobacterium tumefaciens Uproszczony schemat mapy plazmidu Ti A. tumefaciens Wektor skonstruowany na bazie Ti nie zawiera Sekwencji zaznaczonych na czarno – w ich miejsce wstawiane są geny markerowe oraz gen wprowadzany

Wprowadzanie DNA do roślin Zasada działania strzelby biolistycznej

Rośliny transgeniczne – kierunki modyfikacji oporność na herbicydy odporność na patogenne owady odporność na patogenne grzyby, bakterie i wirusy wytwarzanie czynników biokontrolnych otrzymywanie roślin hybrydowych polepszenie właściwości odżywczych produktów roślinnych zwiększenie pobierania przez rośliny źródeł azotu i fosforu adaptacja do środowisk zasolonych i suchych akumulacja olei zwiększenie aktywności fotosyntetycznej zastosowanie roślin jako bioreaktorów do produkcji szczepionek, biofarmaceutyków i chemikaliów

Rośliny transgeniczne – przykłady zastosowań praktycznych Roślina Liczba opracowanych odmian Cecha Zaakceptowane w krajach Rzepak Goździk Cykoria Bawełna Len Kukurydza Melon 16 3 1 5 22 Oporność na herbicydy, modyfikacja składu oleju, sterylizacja formy męskiej Barwa kwiatu, oporność na herbicydy, zwiększona trwałość Oporność na herbicydy, sterylizacja formy męskiej Oporność na herbicydy, odporność na owady Oporność na herbicydy Oporność na herbicydy, odporność na owady, sterylizacja formy męskiej Przedłużenie trwałości USA, Japonia Kanada Australia, UE UE Argentyna, Australia, Chiny, Japonia, Meksyk, Afryka Płd, USA Kanada, USA Argentyna, Kanada, UE, Japonia, Afryka Płd, USA USA

Rośliny transgeniczne – przykłady zastosowań praktycznych Roślina Liczba opracowanych odmian Cecha Zaakceptowane w krajach: Papaja Ziemniak Ryż Soja Kabaczek Burak cukrowy Pomidor 1 4 2 7 6 Odporność na wirusy Odporność na wirusy i owady Oporność na herbicydy Oporność na herbicydy, modyfikacja składu oleju przedłużenie trwałości Przedłużenie trwałości, odporność na owady USA Kanada, USA Argentyna, Brazylia, Kanada, Japonia, Meksyk, Afryka Płd, USA, Urugwaj Japonia, Meksyk, USA

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Oporność na herbicydy zwiększenie ilości enzymu będącego celem molekularnym zastąpienie enzymu będącego celem molekularnym przez wersję niewrażliwą na herbicyd - wprowadzenie genu kodującego enzym detoksyfikujący herbicyd Odporność na owady Konstrukcja roślin transgenicznych odpornych na patogenne owady stanowi alternatywę dla stosowania chemicznych pestycydów. wprowadzenie genu kodującego toksynę Bacillus thuringensis wprowadzenie genu kodującego oksydazę cholesterolową Vip3A, inhibitor amylazy lub białka odpowiedzi na uszkodzenie mechaniczne

Schemat szlaku biosyntezy aminokwasów aromatycznych w roślinach z zaznaczeniem miejsca działania herbicydu gliofosatu (Roundup)

Larwy pasożyta kukurydzy zaatakowane przez B. thuringiensis 8 września 2004 Komisja Europejska podjęła decyzję o dodaniu do listy nasion dopuszczonych do sprzedaży na terenie UE 17 odmian zmodyfikowanej kukurydzy - MON 810, opracowanej przez biotechnologiczny koncern Monsanto. Zastosowana modyfikacja uodparnia roślinę na larwy szkodnika-owada - omacnicę prosowiankę (Ostrinia nubilalis). Zmodyfikowane komórki rośliny zawierające już w swoim wnętrzu białka Cry są toksyczne po zjedzeniu przez owada. W środowisku zasadowym przewodu pokarmowego owada następuje aktywacja białka Cry - łączy się ono ze specyficznymi receptorami w błonach komórek przewodu pokarmowego. Powoduje to powstawanie otworów w błonie, zniszczenie komórek co doprowadza do śmierci owada. Dotychczas odkryto ponad 100 genów kodujących białka odpowiednie Cry, co pozwala na specyficzne wykorzystywanie ich w zwalczaniu konkretnych gatunków szkodników, bez toksycznego wpływ na inne. Białka Cry są owadobójcze jedynie w odniesieniu do niektórych gatunków motyli (z rodzajów: Lepidoptera, Diptera, Coleoptera, - stonka ziemniaczana jest wrażliwa, mszyce już nie). Receptory dla tych białek nie występują na powierzchni komórek jelitowych ssaków, dlatego też ludzie nie są na ich działanie wrażliwi. Przeprowadzono badania dotyczące bezpieczeństwa, które pokazują, że Cry nie wykazuje żadnej znaczącej homologii aminokwasów do znanych toksyn białkowych oraz, że jest gwałtownie degradowane w warunkach symulowanych warunków żołądkowych i nie jest doustnie toksyczne dla myszy.

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Odporność na patogenne drobnoustroje i wirusy Uzyskanie odporności na infekcje wirusowe poprzez: a/ wprowadzenie genów lub fragmentów genów wirusa – pathogen derived resistance b/ wprowadzenie genu kodującego białko niszczące wirusy Przykłady: ekspresja genu otoczki wirusa mozaiki tytoniowej w tytoniu; wprowadzenie genu kodującego rybonuklezę pac1 z drożdży (specyficznie rozcina dwuniciowy RNA) do ziemniaka czyni tą roślinę odporną na wirus „potato spindle” Uzyskanie odporności na infekcje bakteryjne: a/ wprowadzenie genu kodującego białko niszczące bakterie b/ zwiększenie naturalnej odporności rośliny

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Odporność na patogenne bakterie Białka antybakteryjne pochodzące z innych organizmów Białko Pochodzenie Rośłina Odporność wobec: Shiva-1 Antaktyna E Lizozym Laktoferyna Tachyplezyna Jedwabnik BakterofagT4 Ludzki Ludzka Krab Tytoń Jabłoń Ziemniak Ralstonia solanacearum Erwinia amylomora Erwinia carotovora Pseudomonas syringae

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Odporność na patogenne bakterie Hamowanie patogenności bakterii Białko Pochodzenie Rośłina Odporność wobec: Białko warunkujące oporność bakterii na tabtoksynę Karbamoilotransferaza ornitynowa niewrażliwa na fazeolotosynę Pseudomonas syringae Pseudomonas syringae vr. phaseolicola Tytoń Fasola Zwiększenie naturalnej oporności Białko Pochodzenie Rośłina Odporność wobec: Liaza pektynowa Oksydaza glukozowa Tionina Erwinia carotovora Asperillus niger Jęczmień Ziemniak Tytoń Pseudomonas syringae

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Sterylizacja form męskich Usunięcie możliwości wytwarzania pyłku przez formy męskie roślin transgenicznych, a w efekcie uniemożliwienie horyzontalnego transferu genów Zmiana właściwości użytkowych produktów roślinnych żywność funkcjonalna, np. ryż wytwarzający prowitaminę A i białka wiążące żelazo („złoty ryż”) – geny przeniesione z hiacynta - Flavr SavrTM – pomidory o zwiększonej trwałości; gen kodujący poligalaktouronazę wyciszony dzięki zastosowaniu strategii antysensowej kawa o zredukowanej zawartości kofeiny słodkie ziemniaki – wprowadzenie genu kodującego słodkie białko (taumatynę) winogrona bezpestkowe

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Adaptacja do warunków stresu Pochodzenie Gen Roślina Stres E. coli S. cerevisiae Jęczmień Arabidopsis BetA TPS1 HVA1 Fe-SOD Ziemniak Tytoń Ryż Wymarzanie Susza i zasolenie Stres oksydacyjny

Rośliny transgeniczne – strategie postępowania Zastosowanie roślin jako bioreaktorów do produkcji szczepionek, biofarmaceutyków i białek użytkowych Białko Roślina Zastosowanie Szczepionki Antygen powierzchniowy Toksyna Biofarmaceutyki Erytropoetyna Hirudyna Interferon Enkefalina Inne białka -amylaza Fitaza Lakkaza Ksylanaza Poli-3HB Ziemniak, sałata* Ziemniak Tytoń Rzepak Rzepa Kukurydza Len* Szczepionka przeciwko wirusowi HCVB Szczepionka przeciwko cholerze Anemia nerkowa Przeciwzakrzepowy Przeciwwirusowy Przeciwbólowy Scukrzanie skrobi Skarmianie bydła Przeróbka drewna Papiernictwo Tworzywo termoplastyczne *technologie opracowane w Polsce

Zwierzęta transgeniczne Modyfikacje mające na celu wytwarzanie w organizmie zwierząt białek terapeutycznych Modyfikowane w tym celu są głównie krowy, kozy, owce, gdyż pożądane białka wytwarzane są w gruczołach mlecznych i wydzielane z mlekiem. Produkowana jest antytrombina - ludzki enzym - czynnik krzepliwości krwi, pozwala na kontrolę powstawania zakrzepów, produkcja antytrypsyny - stosowanej w leczeniu rozedmy płuc, erytropoetyny - leczenie anemii. Owce wytwarzające ludzki enzym, który może pomóc w leczeniu stwardnienia rozsianego. 2. Uzyskanie szybszego wzrostu zwierząt hodowlanych. Modyfikacje polegające na wprowadzeniu genów produkujących hormon wzrostu. W ten sposób modyfikowane były głównie ryby: karpie, łososie, ale także na zwierzętach gospodarskich, świniach, królikach, owcach. 3. Krowy dające więcej mleka, oraz mleko specjalnie przystosowane do produkcji serów. Zwiększenie laktacji – zastosowanie rekombinowanej somatotropiny bydlęcej (BST) Krowom wprowadzono dodatkowe kopie genów kodujących proteiny: beta- i kappa- kazeinę. Kazeina jest składnikiem twarogów i białych serów. Modyfikacje powoduje to, iż z mleka łatwiej jest uzyskać ser - można go uzyskać więcej z tej samej objętości mleka oraz szybciej. 4. Odporność na choroby. 5. Modyfikowane świnie jako dawcy narządów.

Klonowanie zwierząt Zasada techniki: 16-komórkowy zarodek pochodzący ze sztucznej inseminacji jest źródłem jąder komórkowych, Jądra te przenosi się do komórek jajowych pozbawionych własnych jąder. Powstałe zarodki są następnie hodowane in vitro, a potem wprowadzane do organizmów matek. Przykłady dotychczas sklonowanych zwierząt: owca Dolly, koń, pies Snuppy

Biologiczne metody kontroli chorób roślin Nazwa handlowa Drobnoustrój Choroba Serenade Cedomon Camperico Rózne Mycostop Binab Contans WG Sporodex Bakterie Bacillus subtilis Pseudomonas chlororaphis Xanthomonas campestris Bacillus thuringiensis Grzyby//Promieniowce Streptomyces griseoviridis Trichoderma spp. Coniothyrium minitants Pseudozyme flocculose Grzybice Grzybice zbóż Grzybice traw Choroby wywoływane przez owady Grzybice roślin w szklarniach Zgnilizna korzeni Niektóre komercyjne preparaty drobnoustrojów zapobiegających chorobom roślin Mechanizmy działania: wytwarzanie antybiotyków, wytwarzanie enzymów litycznych, pasożytnictwo, współzawodnictwo o składniki odżywcze, indukcja oporności roślin