تطبيقات مختلفة للتكنولوجيا الحيوية النباتية

تطبيقات التكنولوجيا الحيوية النباتية!

توفر الهندسة الوراثية للنباتات فرصة لتغيير خصائصها أو أدائها من أجل تحسين فائدتها. ويمكن استخدام هذه التكنولوجيا لتعديل التعبير عن الجينات الموجودة بالفعل في النباتات ، أو لإدخال جينات جديدة من الأنواع الأخرى التي لا يمكن أن تربى النبات بشكل تقليدي. وبالتالي ، فإنه يعطي كفاءة أكبر لتحقيق أغراض التربية التقليدية.

يكمن أحد التطبيقات الهامة لمثل هذه التقنيات في إضافة جينات مفردة إلى أنواع نباتية مرغوبة. يمكن استخدام التحول النباتي لإدخال خصائص جديدة أو جديدة تخلق سوقًا جديدًا أو تحل محل المنتجات التقليدية. قد يرتبط التحسن بالقيمة الغذائية للنبات أو الخصائص الوظيفية في المعالجة أو حتى الاستهلاك في حد ذاته.

قبل كل شيء ، توسع هذه التقنية من إمكانيات نقل الجينات بين الكائنات الحية غير المترابطة ، وبالتالي تخلق معلومات وراثية جديدة عن طريق تغيير معين في الجينات المستنسخة. دعونا نناقش الآثار المترتبة على هذه التكنولوجيا بمزيد من التفصيل.

جودة الطعام:

الجودة الغذائية :

تلعب محاصيل البذور دوراً هاماً في تغذية الإنسان والحيوان. يساهم عدد قليل من الحبوب في ما يقرب من خمسين في المائة من إجمالي السعرات الحرارية الغذائية. وبالمثل ، فإن سبعة أنواع من حبوب البقوليات تشكل جزءًا كبيرًا من السعرات الحرارية.

ومع ذلك ، تحتوي الحبوب والبقوليات على بعض البروتينات التي تعاني من نقص في الأحماض الأمينية مثل الليسين وثريونين. البقوليات هي أيضا ناقصة في الأحماض الأمينية الكبريت. بعض محاصيل البذور الأخرى مثل الأرز توفر توازناً أفضل من الأحماض الأمينية ، ولكنها تتساقط على مستويات البروتين الكلية.

يتبع المنطق الشائع أن كل من هذه الأطعمة يمكن أن يقذف إلى الكمال إذا كان من الممكن التغلب على أوجه القصور فيها عن طريق اقتراض تلك الصفات المفقودة من المحاصيل الأخرى. هذا هو بالضبط ما تفعله التكنولوجيا الحيوية النباتية - نقل جينات مفردة أو متعددة إلى نباتات تفتقر إلى المكونات المهمة.

ومؤخرًا ، قام البروفسور إنغو بوتريكوس في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا (زيوريخ) والدكتور بيتر باير من جامعة فرايبورغ (ألمانيا) بتطوير "الأرز الذهبي" ، الذي يتمتع بمستويات أعلى من فيتامين أ أو ب-كاروتين.

ومن المتوقع أن يوفر هذا الأرز المعدل فوائد غذائية لأولئك الذين يعانون من الأمراض المرتبطة بنقص فيتامين ألف ، بما في ذلك العمى الذي لا يمكن علاجه في مئات الآلاف من الأطفال سنوياً. كما يمكن أن يقلل المحتوى المناسب من الفيتامين ألف من الوفيات المرتبطة بالأمراض المعدية مثل الإسهال وحصبة الأطفال من خلال تعزيز نشاط جهاز المناعة البشري.

يمكن استخدام الأدوات الوراثية لتغيير محتوى الكربوهيدرات والدهون والألياف وفيتامين من الغذاء. تطبيق مفيد آخر هو التقاط الجينات من الحبوب الغنية بالبروتين ونقلها إلى طعام منخفض البروتين. في الواقع ، أجريت تجربة مماثلة في جامعة جواهر لال نهرو في نيودلهي ، حيث نقل العلماء جينة من قطيفة (Chaulai) إلى بطاطس. سجلت البطاطس زيادة ليس فقط في محتواها من البروتين ، ولكن أيضًا في حجمها.

كما يتم استخدام الأدوات المعدلة وراثيًا لتحسين القيمة الغذائية للمحاصيل من خلال تقليل عواملها المضادة للتغذية (مثل مثبطات الأنزيم البروتيني والهيماتولينوتين في البقوليات). يمكن أيضا معالجة المشاكل المرتبطة انتفاخ البطن في بعض الأطعمة عن طريق التلاعب بالألياف الغذائية ومحتوى oligosaccharide.

التطبيقات التقنية الحيوية مفيدة للغاية في حالة القمح كذلك. يتم تحديد نوعية القمح من خلال وجود بروتينات تخزين البذور من الحبوب. وبالتالي ، يمكن تحسين جودته عن طريق التلاعب في وجود هذه البروتينات. ويمكن أيضا إضافة المزيد من البروتينات الغلوتين لإعطاء مرونة معززة للعجين. وعلاوة على ذلك ، يمكن تغيير محتوى النشا من القمح لتتناسب مع خصائص المنتجات مثل الشعرية.

الجودة الوظيفية:

يمكن تطبيق التحول على الفواكه والخضروات لتحسين النكهة والنسيج من خلال التلاعب في عملية نضجها. كما يمكن تحسين أداء المنتجات النباتية أثناء معالجتها عن طريق الهندسة الوراثية. على سبيل المثال ، أول طعام معدّل وراثيا ، تم التلاعب بطبقة الطماطم Flavr-Savr وراثيا لإبطاء نضجها ، ولها عمر افتراضي أطول (Fig-2).

ومن الاستراتيجيات الأخرى الشائعة لمكافحة النضج الحد من إنتاج هرمون الإثيلين الناضج. يتم إنتاج الإيثيلين من S-adenosylmethionine عن طريق التحويل إلى 1-amino-cyclopropane-1-Carboxylic acid (ACC) في وجود سينسيز ACC ، متبوعًا بتوليد إيثيلين بواسطة أوكسيداز ACC أو إنزيم تشكيل الإثيلين.

يمكن أن يتأخر النضوج عن طريق توجيه بنى مضادة ضد أي من هذه الأنزيمات ، أو عن طريق إزالة ACC باستخدام دايمينيز ACC. ثم يمكن أن تنضج الثمار كما هو مطلوب من التعرض لمصدر اصطناعي للإثيلين.

تذويب وتختمر:

إنتاج البيرة ينطوي على إنبات الشعير في ظل ظروف خاضعة للرقابة. إن جودة البيرة تعتمد إلى حد كبير على تكوين حبوب الشعير. يمكن تحسين العديد من صفات هذه الحبوب بشكل كبير من خلال الهندسة الوراثية. على سبيل المثال ، تحسين استقرار أنزيمات الشعير (خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة) يمكن أن يعزز فعاليته عند درجة الحرارة المستخدمة أثناء الهريس. ويمكن أيضا التلاعب بالنكهة من البيرة عن طريق علاج الشعير وراثيا. واحد من هذه التقنيات هو أن الحد من مستويات الأكسجين-ليب.

تخزين الكربوهيدرات:

يمكن زيادة مستويات بعض الإنزيمات مثل PYrophosphorylase ADP تعزيز توليف النشويات من المنتجات الغذائية. هذا يمكن أن يحسن غلة الأطعمة النشوية. يمكن للتحويل أيضا تغيير خصائص نشا النبات. يمكن أيضًا تنظيم نسبة الأميليز والأميلوبكتين في النشا والجودة. وهذا من شأنه أن يسمح بتفصيل النشا لتلبية متطلبات أغذية معينة أو منتجات صناعية.

ويجري بالفعل إنتاج النباتات المعدلة وراثيا مع زيادة مستويات fructans (وهو شكل من أشكال الجلوكوز) باستخدام levansucrase من البكتيريا. كما يمكن التلاعب بمحتوى السكروز في النباتات لتحسين جودة المحاصيل السكرية مثل قصب السكر وبنجر السكر.

مقاومة الأمراض:

مقاومة الحشرات:

أثبتت الهندسة الوراثية أنها نعمة لإنتاج نباتات مقاومة للآفات. لقد تغلبت هذه التكنولوجيا على أوجه القصور في استخدام المبيدات الكيميائية. في الآونة الأخيرة ، اكتسبت تقنية إدخال جينات مقاومة للأمراض إلى أنواع نباتية شعبية هائلة.

على سبيل المثال ، يمكن أن تمنع مثبطات الأنزيم البروتيني هضم البروتينات بواسطة الحشرات ، وبالتالي تباطؤ معدل نموها. إن نقل هذه البروتينات إلى النباتات يعمل كآلية حماية طبيعية ضد هجوم الحشرات.

كما أثبتت بعض الجينات البكتيرية فعاليتها في الوقاية من ضرر الآفات. تنتج Bacillus thuringiensis (Bt) Bt Toxin ، وهو فعال ضد يرقات الحشرات. وقد تم إنتاج النباتات المحورة جينيا التي تؤوي جينات Bt في محاصيل مثل فول الصويا والذرة والقطن ، وقد ثبت أنها مقاومة لهجمات الآفات.

يتم إنتاج العديد من المواد الكيميائية المصلية الأخرى (المواد الكيميائية التي تغير سلوك الحشرات) بواسطة بعض أنواع الحشرات والنباتات. يمكن أن يكون نقلها إلى نباتات أخرى فعالا جدا في التحقق من حدوث المرض. وللحصول على مثال آخر ، لا يحتوي محصول البطاطا القابل للتأثر على مواد كيميائية مضادة للتغذية مثل farnase ، وهي terpene ومركبات أخرى ذات صلة.

وتنتج هذه الأنواع من أنواع النباتات الممنعة مثل Solanum berthaultii (في أوراق الشجر). هذه المركبات تعمل عن طريق إثارة استجابة هجومية في المن ، بحيث لا تكون قادرة على إثبات وجودها على المحصول. إن نقل هذه الجينات إلى محصول البطاطا يمكن أن يحميها من خطر المن.

مقاومة الفيروسات:

يعد إنتاج النباتات المعدَّلة وراثياً ذات المقاومة للفيروسات أحد أنجح تطبيقات التحول النباتي. أثبتت العديد من الاستراتيجيات التي تنطوي على التعبير عن الجينوم الفيروسي في النبات فعاليتها. على سبيل المثال ، كان التعبير عن جين بروتين معطف من الفيروس ناجحًا على نطاق واسع. يمكن أن يكون تعبير أجزاء الجينوم الفيروسي المعنى والتعبيري مضادًا للوقاية من العدوى الفيروسية.

مقاومة النيماتودا:

تقدم الجينات الجديدة المقاومة للديدان الخيطية نهجا بديلا لإنتاج النباتات المقاومة للديدان الخيطية. توفر الهندسة الوراثية فرصة لتطوير نباتات معدلة وراثياً ذات مقاومة جينية لهذه الآفات النباتية الطويلة الأجل ، وبالتالي تقلل من الاعتماد على المبيدات النيماتودا الكيميائية في الزراعة.

مقاومة مبيدات الأعشاب :

اختيار مبيد الأعشاب أمر بالغ الأهمية لأنه يحمل مخاطر عالية من إحداث المقاومة. قد تطوّر الحشائش بسرعة مقاومة متعددة لمبيدات الأعشاب في بعض الأنظمة عندما تعمل عدة أصناف من مبيدات الأعشاب على نفس الهدف الجزيئي. هنا مرة أخرى ، توفر جينات مقاومة مبيدات الأعشاب الحماية عن طريق إزالة السموم من مبيدات الأعشاب (تحويلها إلى شكل غير نشط).

تعزيز كفاءة التمثيل الضوئي:

عملية التمثيل الضوئي هي أهم آلية لإضافة الطاقة إلى النباتات. ومع ذلك ، حتى أكثر المصانع كفاءة يمكن أن تستخدم فقط حوالي ثلاثة إلى أربعة في المائة من ضوء الشمس الكامل. يتم الآن استخدام التكنولوجيا الحيوية لتحسين مستوى كفاءة التمثيل الضوئي لـ RuBPCase (كربوكسيلاز فوسفات ثنائي فوسفات الريبوز ، المتورطة في تثبيت كربوني أكسيد).

هذا يعزز كفاءة الحفز ويقلل من قدرة الأكسجيناز التنافسية (كما تتصرف RuBP Case أيضًا كأنزيم أكسجيناز). كما يمكن إنتاج المتغيرات المفيدة من خلال الجمع بين تشفير الجينات للوحدات الفرعية الكبيرة والصغيرة للأنزيمات من الأنواع المختلفة.

طريقتان مختلفتان للقيام بذلك هما:

تحمّل الإجهاد اللاحيوي:

تتعرض الإنتاجية النباتية لخسائر كبيرة بسبب أشكال مختلفة من الإجهاد خلال تطورها. وتشمل عوامل الضغط هذه درجة الحرارة والملوحة والجفاف والفيضانات وضوء الأشعة فوق البنفسجية والعدوى المختلفة. في حين أن الأساس الجزيئي لمثل هذه الاستجابات لم يتضح بعد ، فإننا نعلم أنها تشمل توليف دي نوفو لبروتينات محددة (تحت صدمة درجة الحرارة) والإنزيمات (كحول ديهيدروجيناز تحت اللاهوائية و phenyl alanine amino lyase تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية).

وقد تم استنساخ الجينات التي تستجيب للضغط اللاأحيائي وتسلسلها في العديد من المختبرات ، بما في ذلك المؤلفين الذين قاموا بتحديد وتحويل الجين glyoxalase 1 لتيسير تحمل النباتات.

كما تم تحديد التسلسل التنظيمي لبعض الجينات. على سبيل المثال ، تم ربط تسلسل المحفز 5 -5 من كحول ديهيدروجيناز إلى جين مراسل (كلورمفينيكول أسيتيل ترانسفيراز) ، ونقله إلى بروتوبلاست التبغ ، حيث تم توضيح تعبير O _2- sensens.

ومن المؤكد أن هذه المحفزات المحرضة بيئياً سوف تصبح أدوات مفيدة لدراسة التعبير الجيني ، وسوف يضع هذا العمل الأساس لنقل الجينات المستجيبة من الإجهاد تحت المروجين المنظم إلى الأنواع الحساسة. وقد تم مؤخراً تطوير نباتات الطماطم المقاومة للملوحة.

يمكن أيضًا استخدام الجينات من كائنات حية متنوعة مثل الموارد البحرية لتحسين النباتات بطرق مختلفة. هذه خطوة مبتكرة نحو تطوير الأنواع المتحملة للملح ، عن طريق نقل الجينات من النباتات البحرية (النباتات الملحية) إلى الحبوب والمحاصيل النباتية.

وبالمثل ، تم تحويل الجين ، الذي يشفر بروتينًا من سمكة فائضة ، إلى نباتات لحمايتها من التلف الناتج عن التجمد. يمكن أن يكون هذا البروتين مفيدًا في منع تلف الصقيع في تخزين ما بعد الحصاد. وبالتالي ، يمكن استخدام التجميد للحفاظ على نسيج ونكهة بعض الفواكه والخضروات ، والتي هي حاليا غير مناسبة للتجميد.

تطوير قدرة تثبيت النيتروجين في المحاصيل غير البقولية:

في حين أثبت تطبيق الأسمدة النيتروجينية أنه طريق فعال لتحسين غلة المحاصيل ، إلا أنه لا يزال يشكل عرضًا مكلفًا. البديل هو توفير مصدر طبيعي للنيتروجين داخل المصنع. يمكن إدخال الكائنات الدقيقة المثبتة للنيتروجين القيام بذلك.

هذه الكائنات الحية الدقيقة قادرة على تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي في وجود البكتيريا المثبتة للنيتروجين Rhizobium. إن تحويل جينات تثبيت النيتروجين (جينات nif) من المحاصيل البقري إلى غير البقولية يمكن أن يوفر بديلاً فعالاً من حيث التكلفة للأسمدة الباهظة الثمن.

ومع ذلك ، يمكن تحقيق طرق أخرى لتحسين إنتاجية النتروجين في النباتات عن طريق زيادة كفاءة عملية التثبيت في البكتيريا التكافلية ، وزيادة كفاءة عملية التثبيت في البكتيريا الاصطناعية ، وتعديل البكتيريا المثبتة للنيتروجين للحفاظ على تثبيت النيتروجين في وجود خارجي المنشأ. نتروجين.

عقم الذكور Cytoplasmic :

وقد ذهب الكثير من البحوث في شرح آلية Cytoplasmic Male Sterility (CMS). هذه السمة تؤدي إلى إنتاج حبوب اللقاح غير الوظيفية في الأنواع النباتية الناضجة مثل الذرة الرفيعة والذرة وبنجر السكر ، وبالتالي يسهل توليد بذور هجينة ذات قيمة عالية.

ويرتبط عقم الذكور Cytoplasmic في هذه الأنواع النباتية أساسا مع إعادة تنظيم الحمض النووي الميتوكوندريا وتوليف polypeptides جديدة. قد تمكن أدوات التكنولوجيا الحيوية سريعة التطور في النهاية من نقل سمة CMS إلى خطوط خصوبة ذكورية. كما أن عقم الرجال المعدل وراثيا يحمل إمكانات كبيرة لتوليد الهجن في الزراعة.

تطوير المصنع :

إن تطوير النبات عملية معقدة ، تتضمن دور مستقبلات الضوء مثل فيتوكروم ، تعبير الجينات بالكلوروفلاست ، تعبير الجينات الميتوكوندريا فيما يتعلق بعقم الذكور ، تراكم منتجات التخزين ، وتنمية أجهزة التخزين (الفواكه).

من الممكن الآن استنساخ وتسلسل جينات مختلفة مسؤولة عن تطوير النباتات. وقد زاد هذا من إمكانية التلاعب في التعبير عن هذه الجينات ، وبالتالي عملية المشاركة فيها. على سبيل المثال ، تم الإبلاغ عن الجينات المزهرة المبكرة لتغيير خصائص أصناف النضوج المتأخرة.

كما ساعد عزل عناصر مُحَسِّنة محددة في تصميم المحاصيل التي تعبر عن البروتينات في أنسجة محددة. يمكن نقل الجينات المسؤولة عن تشكيل الألوان إلى النباتات التي تحمل زهورًا عديمة اللون. والأكثر من ذلك هو أن تلاعب الجينات التي تتحكم في الإزهار وحبوب اللقاح يمكن أن يولد نباتات معدلة وراثيا ذات خصوبة متغيرة. وقد أدى التعبير عن الجينات المورقة و APETALAI في Arabidopsis إلى الإزهار المبكر.

وبالمثل ، تؤثر مستقبلات الهرمونات المفترضة في النباتات على حساسية الأنسجة المختلفة لمنظمات النمو ، وتمييزها وتطورها فيما بعد. أثبت إدخال النوع البري أو الجينات المعدلة لمنظمات نمو محددة فعاليتها في التلاعب في تطوير النباتات (مثل تغيير وقت النضج أو عدد وحجم درنات البطاطس). ويمكن تطبيق هذا النهج لتعديل الاستجابة الزهرية ، وتنمية الفاكهة والتعبير عن الجينات البروتينية التخزين.

بروتينات مفيدة من النباتات :

يتم الآن استخدام العديد من النباتات لإنتاج بروتينات مفيدة. وقد ولدت هذه النواتج Neutraceuticals - كلمة صيغت لتشكل الطعام. وتعرف هذه الأطعمة أيضًا باسم الأطعمة الوظيفية. وتشمل المواد المغذية جميع الأطعمة "المصمّمة" من حبوب الإفطار الغنية بالفيتامينات إلى البنكول ، وهو نوع من السمن النباتي الذي يخفض الكولسترول الضار. وتقدر شركة نوفارتس هيلث هيلث ، وهي شركة أمريكية رائدة ، سوق الولايات المتحدة للأغذية الوظيفية بنحو عشرة مليارات دولار ، بمعدل نمو سنوي متوقع يبلغ 10 في المائة.

إنتاج اللقاحات من النباتات :

النباتات هي مصدر غني للمستضدات من أجل تحصين الحيوانات. يمكن تطوير النباتات الجينية لإنتاج بروتينات مستضدية أو جزيئات أخرى. إن إنتاج المستضد في جزء صالح للأكل من النبات يمكن أن يثبت أنه نظام سهل وفعال لنظام التسليم للمستضد في جزء صالح للأكل من النبات يمكن أن يثبت أنه نظام سهل وفعال لنظام التسليم للمستضد.

وتشمل التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا التحصين الفعال للإنسان والحيوان ضد الأمراض ومكافحة آفات الحيوانات. على سبيل المثال ، تم التعبير عن مستضدات فيروس التهاب الكبد ب بنجاح في نباتات التبغ وتستخدم لتحصين الفئران. وقد أنتجت الفئران التي تم تغذيتها بالبطاطس معبرة عن وحدة P-sub من E.coli enterotoxin LT-B أضدادًا ، وبالتالي تحمي من التسمم البكتيري.

تعد هذه التقنية بتمهيد الطريق للتمنيع غير المكلِّف ضد العديد من الأمراض البشرية. وقد تم بالفعل التعبير عن اللقاحات الفموية ضد الكوليرا في النباتات. جيل المستضدات من خلال النباتات ليست فعالة من حيث التكلفة فحسب ، بل يمكن أيضا إنتاجها بكميات كبيرة ، واستعادتها بسهولة.