Dobivanje novih genetičkih varijanti na stres otpornih biljaka i očuvanje njihovog

genofonda

Muhibić Anelina

Sarajevo, novembar 2012.

GENETIČKI INŽINJERING- direktna manipulacija

biljnim genomom od strane čovjeka u svrhu postizanja željenog cilja pomoću moderne DNA tehnologije

- moderna DNA tehnologija se koristi za:

1. izolaciju željenog gena 2. modifikaciju gena 3. pripremu gena za aplikaciju 4. razvoj transgenih

biljaka

HISTORIJSKI PODACI• 1980 god. prvi put uspješno izvedena ekspresije

stranih gena u biljci• 1983 god. proizvedena prva transgena biljka• 1986 god. prva istraživanja na polju genetičkog

inžinjeringa u Francuskoj i SAD-u su provedena na duhanu dizajniranom da bude otporan na herbicide

• 1994 god. firma Calgane je uspjela dobiti saglasnost za komercijalnu upotrebu genetski modifikovanog paradajza

• 1995 god. odobrena upotreba GM paradajza od strane agencije za zaštitu okliša kao i njegova proizvodnja u SAD

• 2009 god. upotreba transgenih biljaka proširena u 25 zemalja (SAD, Brazil, Argentina, Indija, Kanada i Južna Afrika)

1. Koji stresni faktori utiču na biljke?

2. Zašto nam trebaju biljke otporne na stres?

1. 2.

• Životni ciklus većine biljaka odvija se uglavnom na jeom mjestu, te su svakodnevno suočavaju sa izazovima kao što su pribavljanje hranjivih materija, napadi patogena i stresni faktori

• Stresni faktori podrazumjevaju: oksidativni stres, svjetlost, hladnoća, toplota, voda, salinitet, toksične materije itd.

• Poljoprivreda je decenijama imala dva glavna cilja:

1. Povećanje prinosa i kvaliteta poljoprivrednih proizvoda

2. Povećanje i unapređenje zaštite usjeva od stresnih faktora

Kukuruz je tipična biljka koju naučnici nastoje da usavrše

2. - Pritisak iz okoliša-s obzirom na rast

populacije naZemlji, moraju se pronaći

efikasniji načini za povećanje

prinosa usjeva kako bi seobezbjedila dovoljna

količina hrane

-Intenzivno navodnjavanje i poljoprivreda doveli su do velikih problema, kao što je povećan salinitet tla- Uticaj globalnih klimatskih promjena na ekosistem

Tehnike razvoja biljaka otpornih na stres

Tradicionalni način uzgoja STP

• tradicionalni način uzgoja koristi prirodnu ili vještački izazvanu biljnu raznolikost za dobijanje željenih osobina

• zahtjeva mnogo truda i vremena

• oslanja se na postojeću genetsku raznovrsnost te je pojedine osobine veoma teško izmjeniti

Moderne tehnike

Transformacija• Agrobacterium tumefaciens (biološki vektor)

• tehnike direktnog prenosa gena (DGT) (Upotreba fizičkih, električnih ili hemijskih sredstava za prenos gena)

upotreba Agrobacterium tumefaciens

• A. tumefaciens se intenzivno koristi za genetskiki inžinjering biljaka

• ovo se postiže ugradnjom odabranih gena u t-DNA bakterije, kako bi se oni kasnije integrisali u hromosome biljke nakon t-DNA prenosa

tehnike direktnog prenosa gena(DGT)

• Upotreba fizičkih, elektičnih ili hemijskih sredstava

1. Direktni unos gena od strane protoplasta

2. Mikro-injektiranje

3. Elektroporacija4. Lipozomalna

posredovana DNA

5. Mikroprojektilna “gun” metoda

Direktni unos gena od strane protoplasta• Protoplasti su ćelije bez krutih celuloznih zidova• Dokazano je da protoplasti biljke tretirani sa

polietilen glikolom vežu DNA iz svoje okoline, a zatim se ova DNA može stabilno integrisati u hromozom biljke

Mikro-injektiranje• direktno unešenje strane molekule DNA u biljnu ćeliju pomoću mikro igle• Mirko-injektiranje DNA u jezgro izoliranog protoplasta spada u efikasne metode prenosa gena

Lipozomalna posredovana DNA• lipozomi su male lipidne molekule vezikula koje

se dobijaju iz fosfatidil kolina i sterilamina procesom poznatim kao obrnuta faza isparavanja

• nukleinska kiselina zatočena unutar lipozama čini ga veoma otpornim na nukleaze

Elektroporacija• upotreba električnnih polja kako bi protoplast postao privremeno propustan za DNA

Mikroprojektilna “gun” metoda

• Koristi se velika brzina mikroprojektila za prenos nukleinskih kiselina direktno u netaknute biljne ćelije ili tkiva

• ovom metodom iz "topa" se ispaljuju volframove čestice u pripremljeno jezgro biljne ćelije koje se koriste za "hvatanje" DNA molekula

• Na ovaj način moguće je transformisati ćelije unutar tkiva s obzirom da volframove čestice prodiru kroz brojne ćelijske slojeve

• Primjer ovakve transformacije su soja, duhan, kukuruz

DNADNA

Prednosti

1. Povećanje prinosa usjeva

2. Povećanje zaštite usjeva

3. Poboljšanje u obradi hrane

4. Povećanje hranjive vrijednosti

5. Poboljšanje ukusa6. Svježiji proizvodi7. Očuvanje okoliša8. Dobrobiti za zemlje u

razvoju

1. Toksini i alergeni2. Povećanje otpornosti

bakterija na antibiotike

3. Potencijalni prelazak gena na druge biljke (super korov)

4. Utjecaj na druge vrste5. Povećana otpornost na

insekticide6. Gubitak biodiverziteta7. “Terminator”tehnologij

a

Rizici

Povećanje prinosa usjeva

• Biotehnologija je omogućila povećanje produktivnosti usjeva, čineći biljke otpornijim na bolesti i sušu

• Primjer 1: usjevi koji su bili podložni određenoj bolesti se mogu učiniti imunim, prenosom gena iz drugih vrsta koje posjeduju tu osobinu

• Primjer 2: usjevi koji se uzgajaju u sušnim predjelima moraju imati sposobnost da koriste vodu što je moguće efikasnije. U ovom se slučaju unose geni biljaka koje imaju visoku toleranciju na sušu

Povećanje zaštite usjeva• Poljoprivrednici koriste razne tehnologije za

zaštitu usjeva u cilju eliminacije štetočina koji bi u slučaju nekontrolisanog širenja znatno utjecali na smanjenje prinosa

• Biljke kao što su kukuruz, pamuk i paradajz su uspješno genetski modifikovane tako da sadrže protein koji ubija određene insekte kada se se isti hrane s njima

• Protein se dobija iz bakterije Bacillus thuringiensis koja se nalazi u tlu, a koja se već decenijama koristi kao sastojak određenih prirodnih insekticida

grašak

papaja

paradajz

pamukU određenim slučajevima ovi transgeni proteini mogu efikasnije i jeftinije kontrolisati štetočine nego postojeći pesticidi

Poboljšanje u obradi hrane

• Prvi genetski modificirani proizvod koji je dobio dozvolu da se koristi u ishranu 1990 godine je je chymosin, enzim dobijen iz genetski modificirane bakterije

• Ovaj enzim se koristi u industriji proizvodnje sira čime se povećava čistoća sira, prinos, a troškovi se smanjuju za 50% u odnosu na ranije korišteno sredstvo (kravlje sirilo)

Povećanje hranjive vrijednosti

• Genetski inžinjering je otvorio nove mogućnosti za poboljšanje hranjive vrijednosti biljaka

• Primjer 1: povećanje koncentracije proteina u soji

• Primjer 2: krompir sa povećanim sadržajem aminokiselina• Primjer 3: grah sa više esencijalnih aminokiselina• Primjer 4: riža sa mogućnošću proizvodnje beta karotena ( prekursor vitamina A) -za prevenciju sljepila kod ljudi koji imaju neadekvatne nutricione dijete

Poboljšanje ukusa

• Ukus se može promijeniti usavršavanjem enzima biljke koji transformiraju prekursore arome u ukusne sastojke

• Primjer: transgeni biber i dinja

Svježiji proizvodi

• Genetski inžinjering može poboljšati svojstva biljaka kako bi one ostale svježe duži vremenski period, čime se olakšava njihov transport do konzumenata

Očuvanje okoliša

• Zaštita okoliša upotrebom genetskog inžinjeringa ogleda se u smanjenju zavisnosti o pesticidima

• Na ovaj način smanjuje se količina pesticida u hrani, podzemnim vodama, a također se smanjuje izloženost poljoprivrednika otrovnim materijama

• Sa povećanom otpornosti pamuka na tri glavne štetočine upotreba insekticida u svijetu smanjila se za 15%

Dobrobiti za zemlje u razvoju

• Genetski inžinjering može da poboljša zdravstvene uvjete u manje razvijenim zemljama

• Istraživači sa Švicarskog Instituta za nauku o biljkama proizveli su genetski modificiranu rižu poznatu kao “zlatna riža” koja sadrži dovoljne količine beta karotena koji mogu da zadovolje sve potrebe za vitaminom A

• Ovo je posebno pogodno u siromašnim zemljama gdje su zalihe vitamina A ograničene, jer nedostatak istog dovodi do sljepila kod djece

Rizici

Toksini i alergeni

• Kod ljudi alergičnih na hranu javljaju se specifične imunološke reakcije kada su izloženi određenim proteinima (alergenima)

• Oko 2% ljudi svih uzrasta alergični su na neku vrstu hrane

Većina tih ljudi alergični su samo na jednu ili dvije specifične namirnice

• Postoje rizici da genetski modifikovana hrana može da uvede alergene i toksine u inače sigurnu hranu

Povećanje otpornosti bakterija na antibiotike

• Da bi se pratila uspješnost transfera gena tokom procesa genetske modifikacije koristi se posebna grupa gena otpornih na antibiotike

• Korištenjem ovih markera povećala se zabrinutost da će se pojaviti nove bakterije otporne na antibiotike. Porast oboljenja koja su imuna na liječenje uobičajenim antibioticima predstavljaju ozbiljnu zabrinutost za protivnike tehnologije genetskog inžinjeringa

• Potenacijalni rizici prenosa gena sa biljke na bakteriju su mnogo manji nego među samim bakterijama, ali bez obzira na to FDA je zatražila od ljudi koji se bave istraživanjem da izbjegavaju korištenje genetskih markera koji sadrže otpornost na klinički esencijalne antibiotike

Potencijalni prelazak gena na druge biljke (super korov)

• Postoji vjerovanje među protivnicima genetskog inžinjeringa da se transgeni usjevi mogu križati sa srodnim vrstama korova, što bi za posljedicu imalo pojavu “super korova” kojeg bi bilo mnogo teže kontrolisati

• Postoji bojazan među ljudima da genetski inžinjering može značajno povećati sposobnost biljke da se proširi u divljinu i poremeti ekološku ravnotežu a u najgorem slučaju da izazove katastrofu.

Vjerovatnoća da se to desi je veoma mala s obzirom da usjevi imaju ograničenu mogućnost širenja

Utjecaj na druge vrste

• Neki ekolozi smatraju da jednom kada transgeni usjevi dođu u okoliš mogu izazvati nepredviđene neželjene efekte. Iako su transgeni usjevi rigorozno testirani prije nego što uđu u komercijalnu upotrebu nije moguće unaprijed predvidjeti sve posljedice

• Npr: Bt-corn proizvodi specifičan pesticid koji je namjenjen da ubije svaku štetočinu koja se njime hrani, ali istraživači na Cornell Univerzitetu su pronašli da polen Bt-corn uništava gusjenice bezopasnog leptira.

Kada su hranili gusjenice leptira sa sastojcima Bt-corn polena u laboratoriju pola gusjenica je uginulo, ali naredna istraživanja su pokazala da u realnim uslovima postoji veoma mala mogućnost da gusjenice leptira dođu u kontakt sa polenom Bt-corna-a ili da ga konzumiraju u opasnim količinama

Povećana otpornost na insekticide

• Postoji zabrinutost da štetočine mogu razviti otpornost na odbrambene mehanizme transgenih biljaka s obzirom da sve veća upotreba Bt usjeva može dovesti do ubrzanog porasta otpornosti na insekticide kod štetočina, ali do danas unatoč sve široj upotrebi Bt usjeva nije zabilježeno povećanje otpornosti kod štetnih insekata

Gubitak biodiverziteta

• Mnogi ekolozi i poljoprivrednici su zabrinuti za gubitak biodiverziteta u prirodnoj sredini mada takve tvrdnje nisu utemeljene jer je moderna biotehnologija došla do velikih saznanja o načinima ekspresije gena te podvukla važnost očuvanja genetskog materijala

“Terminator”tehnologija

• Većina poljoprivrednika koji ne uzgajaju genetski modificirane biljke na kraju sezone skupljaju sjeme za iduću sjetvu

• Razvijena je tehnologija proizvodnje sterilnog transgenog sjemena čime se poljoprivrednici prisiljavaju da moraju kupovati novo sjeme svake godine. Ovo se postiže ugradnjom specifičnog gena koji se naziva “terminator” gen

• Ovo znači da poljoprivrednici ne mogu iskoristiti prednosti genetskog inžinjeringa a da pri tome ne uđu u jedan zatvoren ekonomski krug koji služi za profit kompanija koje proizvode sjeme