Rośliny transgeniczne GMO – przykłady modyfikacji

Autor prezentacji : Katarzyna Binkowska

Kierunek Technologia Żywności UR

1

Jak definiujemy rośliny transgeniczne?

Według ustawy z dnia 22.06.2001 :

„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, w szczególności przy zastosowaniu:

- technik rekombinacji DNA z użyciem wektorów, (…)

- technik stosujących bezpośrednie włączenie materiału dziedzicznego przygotowanego poza organizmem, a w szczególności: mikroiniekcji, makroiniekcji i mikrokapsułkowania,

- metod nie występujących w przyrodzie dla połączenia materiału genetycznego co najmniej dwóch różnych komórek, gdzie w wyniku zastosowanej procedury powstaje nowa komórka zdolna do przekazywania swego materiału genetycznego odmiennego od materiału wyjściowego komórkom potomnym.”

- Ogólnie mówiąc modyfikacja polega na wszczepieniu do genomu modyfikowanego organizmu fragmentu DNA z innego organizmu, który odpowiedzialny jest za daną cechę, lub też na modyfikacji genu, lub usunięciu go całkowicie z organizmu.

2

Na świecie najczęściej modyfikowane są:

• Kukurydza

• Pomidory

• Soja zwyczajna

• Ziemniaki

• Bawełna

• Melony

• Tytoo

3

Jaki jest cel tych modyfikacji?

Modyfikowane są głównie rośliny mające duże znaczenie gospodarcze

Jako główne cele modyfikacji uważamy:

• przedłużenie trwałości,

• zwiększenie odporności na szkodniki, grzyby, herbicydy ,infekcje wirusowe, bakteryjne i grzybowe,

• podniesienie cech jakościowych roślin,

• zwiększenie tolerancji na stres abiotyczny ( gł. zmiany klimatyczne),

• poprawę składu kwasów tłuszczowych oraz aminokwasów białek,

• usunięcie składników antyżywieniowych.

4

Główne zalety modyfikacji to:

• Wzmocnienie pożądanych cech

• Odpornośd na szkodniki

• Zwiększenie wartości odżywczej

• Odpornośd na herbicydy

• Odpornośd na zmiany temperatur

• Korzyści medyczne ( np.: jadalne szczepionki)

• Walka z głodem na świecie

• Niskie koszty utrzymania plantacji

• Większe zbiory

• Nieograniczone możliwości ( wszystko co żyje może byd modyfikowane) 5

Wady modyfikowania roślin:

• Ryzyko dla zdrowia człowieka ( alergie)

• Odpornośd genów na antybiotyki ( np.: niebezpieczne choroby przenoszone na ludzi)

• Toksyczny związek (Glifosat - składnik herbicydu Roundup) szkodzi rozwojowi dzieci , oraz dorosłym.

• Problem religijny

• Wysokie koszty badao

• Uodpornione chwasty

6

Obawy społeczne

7

Wzrost powierzchni upraw

8

9

Przykłady modyfikacji.

10

Kukurydza Bt - odmiana MON 810 firmy Monsanto

11

Co oznacza Bt?

• Naturalnie występujące w glebie bakterie (Bacillus thuringensis), powszechne na całym świecie.

• Modyfikacja Bt rośliny polega na wprowadzeniu do niej genów z bakterii Bacillus thuringensis (Bt)

• Przy tworzeniu przetrwalników powstają tzw. kryształy białkowe Cry - toksyczne dla owada.

• Modyfikacja ta umożliwia powstawanie toksycznych na owady białek wewnątrz rośliny, we wszystkich jego komórkach.

• Zmodyfikowane komórki rośliny zawierające juz w swoim wnętrzu białka Cry są toksyczne po zjedzeniu przez owada.

12

• 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 po dwóch , trzech dniach.

• 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).

13

14

Bacillus thuringiensis • Jest Gramm dodatnią

pałeczeką, bakteria tworząca przetrwalniki, bakteria glebowa.

15

Przetrwalniki i romboidalne kryształy Bacillus thuringiensis szczepu T08025

Bacillus thuringiensis

Jest powszechnie stosowana do biologicznego zwalczania szkodników. W procesie tworzenia przetrwalników wiele szczepów Bt wytwarza kryształy z białek nazywanych delta-endotoksynami, które mają działanie owadobójcze. Toksyny te oraz same przetrwalniki są stosowane w rolnictwie jako biopestycydy. W ostatnich latach również geny Bt służące do wytwarzania tych toksyn są używane w modyfikowanych genetycznie roślinach, aby uodpornid je na szkodniki.

16

Działanie modyfikacji Bt:

17

Białko czynne - kryształ jest połączony z zarodnikiem Bt . Zarodnik i Kryształ wprowadzone do układu pokarmowego, udają się w głąb organizmu, do jelit.

18

• Kryształ odrywa się od zarodników i zaczyna się rozpuszczad.

• Toksyna staje się aktywna po całkowitym rozpuszczeniu kryształu.

• Cały ten etap ma miejsce w jelicie owada.

• Aby kryształ uległ rozpuszczeniu a toksyny uległy aktywacji, wartośd pH powinna mied odczyn zasadowy.

19

• Toksyna wiąże się z receptorami w

jelitach. • Na rysunku, ukazują to małe

kwadratowe kształty wzdłuż błony jelita, które w rzeczywistości są fałdami wzdłuż błony jelitowej.

• Następnie toksyna wiąże się z membraną, zaczyna tworzenie w niej otworów.

• Stworzenie zostaje sparaliżowane, albo głoduje na śmierd. Gdyż wyciek kwasów żołądkowych do reszty ciała powoduje poważne obrażenia.

Bt nie ma toksycznego wpływu na ludzki organizm.

20

Powodem braku oddziaływania modyfikacji Bt na organizm człowieka jest: • Kwaśny odczyn kwasu w żołądku • Bardzo niskie pH (∽ 1,5 u ludzi) • Brak wymaganych receptorów.

Receptory dla tych białek nie występują na powierzchni komórek jelitowych ssaków, dlatego też ludzie nie są na ich działanie wrażliwi

Dlaczego kukurydza potrzebuje ochrony przed szkodnikami?

• Szacuje się że co roku około 40 mln ton kukurydzy nie trafia na rynek z powodu uszkodzenia przez szkodniki

• Jeżeli nie będziemy kontrolowad szkodników, będą się one rozmnażad , tworząc większe zagrożenie dla plantacji

21

• Kukurydza z tą modyfikacją jest dobrze znana na rynku światowym, jest uprawiana od 1998 roku (m.in. w Hiszpanii), nie zauważono żadnych skutków ubocznych, także eksperci twierdzą iż jest ona bezpieczna.

• Kukurydza MON 810 wykorzystywana jest głównie w celach paszowych. Jest również przetwarzana na wartościowe produkty żywnościowe i przemysłowe takie jak alkohol etylowy w procesie fermentacji, mąka kukurydziana w procesie suchego mielenia i wysoko oczyszczoną skrobię w procesie mokrego mielenia.

• Koncern Monsanto juz 2. sierpnia 2002 uzyskał zgodę na wprowadzenie do do obrotu kukurydzy genetycznie zmodyfikowanej linii MON 810 z wprowadzonym genem Cry pochodzącym z Bacillus thuringiensis. Zgoda została wydana przez Komisję ds. GMO, która wydała zezwolenia do kooca 2012 roku (na 10 lat).

22

Bawełna Bt

23

Bawełna - fakty

24

• Bawełna jest naturalnym włóknem otrzymanym z rośliny bawełny. • Na całym świecie tysiące hektarów poświecone sa uprawie bawełny. • Bawełna wymaga dużej ilości zarówno słooca jak i wody, co sprawia, że jej

produkcja jest bardziej efektywna w tropikalnych obszarach. • Wielu hodowców, szczególnie w krajach rozwijających się stosuje groźne dla

środowiska , ludzi oraz zwierzat pestycydy w celu ochrony tej rośliny. • Bawełna uprawiana jest głównie w południowej części USA i Kalifornii , Afryki

, Azji Południowej i Chin. • W amerykaoskich przemysłowych gospodarstwach rolniczych normą są

uprawy zmechanizowane. • Spody liści afrykaoskich i amerykaoskich gatunków bawełny produkują lepki

- słodki nektar , który przyciąga wiele szkodników ( np. kwieciak – który w dużej mierze został już wyeliminowany)

• Bawełna jest zwykle uprawiana przy użyciu dużych ilości pestycydów - Endosulfan jest podstawowym pestycydem stosowanym do niszczenia szkodników bawełny. Jest toksyczny dla ludzi w przypadku dotknięcia lub połyknięcia, a szczególnie zabójczy dla dzieci.

Bawełna

• Pestycydy stanowią nawet 50% kosztów wielu upraw, coraz częstsze stosowanie pestycydów prowadzi do wysokiego poziomu zadłużenia i upadłości wśród najbiedniejszych rolników.

• Alternatywą dla stosowania pestycydów jest stosowanie naturalnych drapieżników na szkodniki bawełny takie jak np. biedronki, Złotooki, Zażartkowate, „mrówki złodziejki”i inne

• Dziś częstszą alternatywą jest włączenie upraw modyfikowanych genetycznie wyprodukowanych przez takie firmy jak Monsanto.. W dużej części produkcji bawełny w USA i Chinach (20 i 30%) upraw używa szczepów Bt.

25

26

Bawełna Bt

• Bawełna Bt jest wytwarzana poprzez wprowadzenie syntetycznej wersji genu z naturalnie występującej w glebie bakterii Bacillus thuringiensis.

• Głównym powodem jest pobudzenie rośliny do produkcji własnej toksyny Bt aby zniszczyd szkodniki bawełny.

• Gen powoduje wytwarzanie toksyny Bt we wszystkich częściach rośliny bawełny w trakcie całego okresu eksploatacji. Kiedy szkodniki bawełny spożywają jakąkolwiek częśd rośliny, toksyny zabijają owada.

27

Bawełna Bt

• Wiele krajów zgłosiło pozytywne doświadczenia z bawełną Bt. Do upraw tej odmiany bawełny przekonały się kraje takie jak Stany Zjednoczone, Chiny i Australia.

• Bawełna Bt rozprzestrzeniła się bardzo szybko w Chinach. Zauważalny jest dobry popyt na nią, ponieważ zmniejsza koszty aplikacji pestycydów, jak również zmniejsza skutki narażenia środowiska na pestycydy.

• Pierwszymi krajami które zapoczątkowały uprawę bawełny Bt były Stany Zjednoczone, Australia i Meksyk w 1996 roku

• Chiny i RPA po opóźnieniem jednego roku.

• Kraje takie jak Indie, Indonezja i Kolumbia podjęły działalnośd komercyjnej uprawy znacznie później(od 2002 roku) 28

Postęp chronologiczny przyjęcia bawełny Bt w poszczególnych krajach przedstawiono w tabeli

29

Alergie powodowane Bawełną Bt

• W Indiach setki robotników pracujących przy zbiorach bawełny oraz w fabrykach, zaobserwowało u siebie reakcje alergiczne spowodowane odziaływaniem bawełny Bt . Nie zaobserwowano natomiast takich reakcji z odmianami niemodyfikowanymi. Zapiski szpitalne pokazują, że ilośd osób z objawami alergii (swędzenie) wzrosła znacznie w tym roku, a wszystkie z tych przypadków związane były z bawełną Bt.

30

Przebarwienia, wykwity skórne – widoczne skutki alergii.

Bakłażan Bt

31

Uszkodzenia

32

Uszkodzenia

33

34

Dlaczego stosujemy modyfikacje

• Brak naturalnej odporności u rośliny,

• Zbyt duże ilości stosowanych pestycydów, co wiąże się z wysokimi kosztami ,

• Rozwój odporności u owadów,

• Szkodliwy wpływ pestycydów na środowisko, zdrowie rolników i konsumentów,

• Bakłażan Bt ma potencjał, aby zapewnid korzyści ekonomiczne i zdrowotne.

35

Bakłażan Bt

• Bakłażan Bt jest genetycznie ulepszonym bakłażanem opracowanym przez wstawienie genu cry1Ac do rosliny.

• Białko Cry1Ac daje bakłażanowi wbudowaną odpornośd na larwy motyli, takich jak wady owoców i oraz wady części zielonych.

• W tych uprawach używa się także Bt jako insektycydu nie jest to nowe rozwiązanie - rolnicy używają go odponad 50 lat jako spray.

36

Uszkodzenia

37

Uszkodzenia

38

Korzyści dla konsumentów i społeczeństwa • Konsumenci mają wybór, mogą kupid nieuszkodzone i dobre

owoce bakłażana, dobrej jakości.

• Wysoki poziom pozostałości pestycydów obserwujemy obecne w dużej ilości warzyw, które zjadamy codziennie. Bakłażan Bt zaoferuje konsumentom owoce prawie bez lub o znacznie zmniejszonym poziomie pozostałości pestycydów.

• Oczekuje się, że wprowadzenie na rynek bakłażana Bt może zaoferowad ten produkt w przystępnej cenie. Przewiduje się 15% spadek ceny rynkowej bakłażana przy maksymalnym przyjęciu technologii. 39

Korzyści dla ekologii i ochrony środowiska: • Zmniejszenie pozostałości pestycydów w glebie i wodzie .

• Mniejsze zanieczyszczenie powietrza i lokalnego środowiska ze względu na zmniejszenie stosowania insektycydów.

• Ochrona drapieżników występujących naturalnie i innych organizmów pożytecznych ze względu na zmniejszenie stosowania insektycydów.

• Zmniejszenie w zanieczyszczenia wód gruntowych.

• Ochrona mikroflory gleby i bezkręgowców od szkód wyrządzonych przez nadmierne stosowanie środków owadobójczych.

40

Pomidor Flvr Savr

41

Charakterystyka

• Pomidorowi wszczepiono gen od bakterii E. coli.

• Pomidory, które nie miękną podczas dojrzewania na krzewie.

• Transgeniczne pomidory nadają się do bezpiecznej wysyłki, zachowują swój kolor i swój naturalny smak.

• Charakteryzują się zwiększoną trwałością.

• Dopuszczony do obrotu przez FDA (Food and Drug Administration) w 1994 roku

• Posiadają dodatkową kopię genu, który koduje enzym poligalakturonazy.

42

Charakterystyka

• Pomidory FlavrSavr były bardziej odporne na gnicie, poprzez wprowadzenie do nich antysensownego genu, którego produkt interferował i powstrzymywał produkcję enzymu – poligalakturonazy . Enzym ten jest normalnie odpowiedzialny za rozkład ściany komórkowej (a zatem mięknięcie tkanki), podczas dojrzewania, starzenia i w koocu psucia się owocu.

• Niemodyfikowane pomidory są zwykle zbierane zanim dojrzeją, po czym, zwykle podczas transportu, są sztucznie "dojrzewane" za pomocą etylenu. Zrywanie niedojrzałych owoców ułatwia ich transport, przechowywanie, a także wydłuża czas świeżości w sprzedaży. Pomidory FlavrSavr mogły byd zbierane dojrzałe, bez skracania ich czasu przydatności do spożycia. Co z kolei miało zalety, jako że dojrzałe owoce miały bogatszy smak i jako takie mogły byd sprzedawane po wyższych cenach.

43

44

• Odmiana FlavrSavr® była używana przez firmę Zeneca do produkcji przecierów pomidorowych, sprzedawanych w Europie w lecie 1996. Spodziewano się, że wysoka zawartośd pulpy pomidorowej w produktach, na uzyskanie której podczas produkcji pozwalała specyfika FlavrSavr, co owocowało dobrymi gęstymi przecierami oraz keczupami, będzie preferowana przez konsumentów. Produkty oznaczano jedynie jako genetycznie zmienione oraz sprzedawano po niższej cenie niż konkurencja. Ta strategia marketingowa była zasadniczo eksperymentem, ale dowiodła, że w tym czasie Europejczycy zasadniczo akceptowali żywnośd pochodzenia GMO

45

Golden rice

46

• Złoty ryż – odmiana ryżu siewnego uzyskana metodami inżynierii genetycznej syntetyzująca β-karoten w bielmie nasion.

• Odmiana powstała z myślą o niedożywionej ludności krajów rozwijających się, w których dzieci zapadają na ślepotę zmierzchową z uwagi na brak witaminy A (β-karoten zawarty w jadalnych częściach tego ryżu jest prowitaminą A). Nazwa ma związek z żółtym kolorem pozbawionej łupiny nasiennej ziaren ryżu.

47

Występowanie niedoboru witaminy A na Świecie

48

Clinical – najbardziej dotkliwe

• Tworzona odmiana zawiera dodatkowe geny, które powodują produkcję B-karotenu w bielmie ryżu :

Dwa geny z żonkila i jeden z bakterii Erwinia uredovora wprowadzono do genomu ryżu. Te trzy geny produkują enzymy niezbędne do konwersji GGDP (difosforan geranylogeranylu) do prowitaminy A. Wstawione geny są kontrolowane przez poszczególnych promotorów tak, że enzymy i prowitamina-są produkowane tylko w bielmie ryżu .

49

Skuteczność

• Według raportów WHO w roku 2009 i 2012 niedobór witaminy A (VAD) występował u 190-250 mln dzieci w wieku przedszkolnym.

• Śmiertelnośd związana z VAD wynosi 24-34%. W roku 2009 niedobór witaminy A był przyczyną śmierci około 8,1 mln dzieci w wieku poniżej 5 lat.

• Opracowane dotychczas wersje złotego ryżu zawierają do 37 μg prowitaminy (łączna ilośd karotenoidów ulegających przekształceniu do witaminy A) w gramie suchej masy ziaren.

• Badania medyczne wykazały, że stworzona przez naukowców odmiana ryżu jest w stanie zaspokoid potrzeby organizmu człowieka. Oznacza to, że zarówno odpowiednia ilośd karotenoidów jest przyswajana, jak i powstaje z nich odpowiednia ilośd witaminy A. Miska ugotowanego ryżu (100-150 g) jest w stanie zaspokoid około 60% dziennego zapotrzebowania na witaminę A dzieci w wieku 6-8 lat. 50

Soja transgeniczna

51

• Najpowszechniej uprawianą odmianą w roku 2010 była soja odporna na działanie herbicydu, którego składnikiem czynnym jest glifosat.

• W odmianie Roundup Ready pełną kopię genu syntazy EPSP z agrobakterii szczepu CP4 przeniesiono do genomu soi przy pomocy działka genowego, co czyni ją odporną na działanie herbicydu glifosat, stosowanego powszechnie do walki z chwastami.

• W kolejnych latach opracowano także odmianę transgenicznej soi odpornej na glifostat oraz wykazującej odpornośd na szkodniki. Odmiana taka została dopuszczona do stosowania w Brazylii.

• Powstała także kolejna wersja odmiany Roundup Ready o oznaczeniu MON 89788*5+. Trwają lub trwały prace nad odmianami soi o zbilansowanym składzie aminokwasów w białkach, wzbogaconych w lizynę i tryptofan, poprawionym składzie oleju i kwasów tłuszczowych, zmienionym składzie węglowodanów, bogatych we flawonoidy i wzbogaconych w fitazę.

• Odmiany o polepszonej odporności na wirusy, herbicydy, szkodniki,

52

Uprawa

• W roku 2010 transgeniczna soja stanowiła około 50% upraw biotechnologicznych na świecie.

• Powierzchnia pól obsiewanych odmianami genetycznie modyfikowanej soi wynosiła 73,3 mln ha.

• Uprawa odpornej na herbicyd soi pozwoliła w latach 1996-2009 uzyskad dodatkowo 25 mld dolarów amerykaoskich.

• Paostwami o największym areale upraw transgenicznej soi były:

USA - 30 mln ha

Argentyna - 19,5 mln ha

Brazylia 17,8 mln ha

53

54

Zastosowanie

• Import jak i wykorzystywanie soi genetycznie modyfikowanej dozwolone jest w większości krajów świata. Inaczej jest z siewem i uprawą, które już nie są wszędzie dozwolone.

• Większośd upraw soi modyfikowanej genetycznie na świecie idzie na produkcję oleju roślinnego, а także paszy dla bydła i drobiu. W ostatnich latach coraz większą popularnośd ma wykorzystanie soi do otrzymania biodiesla.

• Wykorzystanie soi transgenicznej do celów paszowych ma wielu przeciwników, jest częścią ogólnej debaty na temat bezpieczeostwa związanego z organizmami modyfikowanymi genetycznie.

55

Kilka innych przykładów modyfikacji:

56

Banan

57

Bez modyfikacji Z zastosowaniem modyfikacji

Banan nie byłby taki, jaki jest dzisiaj bez modyfikacji genetycznych. Dzikie odmiany mają nasiona oraz inne kształty. Poprawiono w ten sposób cechy jakościowe. Banany modyfikowane są także aby uzyskad odpornośd na wirusy i grzyby - zakażają się poprzez uszkodzenia w transporcie.

Papaja

58

• Plantacje hawajskich papai zostały zainfekowane wirusem PRSV (wirus pierścieniowej plamistości papai).

• Wszelkie metody pokonania wirusa zawodziły. • W 1987 roku, W celu opracowania odmiany

odpornej na wirusa wykorzystanomechanizm wyciszania genów (interferencji RNA) który w tym czasie nie był jeszcze poznany. Zakładanooni, iż wprowadzając do genomu rośliny konstrukt zawierający sekwencję kodującą fragment białka płaszcza wirusa (CP), w jakiś sposób drzewka staną się odporne.

• Tym sposobem w roku 1991 uzyskano pierwszą transgeniczną papaję odporną na PRSV.

• Pierwsze nasiona transgenicznych odmian SunUp i Rainbow zostały udostępnione rolnikom hawajskim w maju 1998 roku .

• W roku 2010 80% całkowitego areału upraw papai stanowiły odmiany GMO

• Testy polowe papai ( po lewej zainfekowane wirusem PRSV, po prawej odmiana transgeniczna).

59

Ziemniaki

60

• -wzrost zawartości skrobi, ponadto odmiany składające się wyłącznie z amylopektyny - u odmian tradycyjnych 20% skrobi to amyloza, którą usuwa się z ziemniaków przemysłowych co podnosi koszty,

• odpornośd na herbicydy, stonkę ziemniaczaną, wirusy, • "słodkie ziemniaki" - wprowadzenie genu odpowiedzialnego za

wytwarzanie słodkiego białka - taumatyny, • odpornośd na ciemnienie pouderzeniowe - większa trwałośd, • mała zawartośd glikoalkaloidów - substancji szkodliwych na człowieka,

występujących w surowych ziemniakach.

Odmiana transgeniczna Odmiana bez modyfikacji

61