Kierunki

genetycznych

modyfikacji

roślin

Jacek

Lissewski

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

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

A

AA Aa

a

Aa aa

Pod względem charakteru,

modyfikacje dzielimy na trzy

grupy:

1. Zmieniona zostaje aktywność genów

naturalnie występujących w danym
organizmie, ale w jego komórkach nie
pojawia się żaden nowy gen (pomidor
FlavrSavr).

2. Do organizmu wprowadzone zostają

dodatkowe kopie jego własnych genów.

3. Do organizmu wprowadzony zostaje gen

pochodzący z organizmu innego
gatunku.

Kroki milowe w badaniach molekularnych i

bioinżynierii roślin

Rok

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.

Rok

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.

1984

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

1. 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.

•

Metody fizyczne:

- 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).

•

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

1.

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.

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.

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:

- 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

Zakres

Cel

Przykłady

I

0

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

II

0

Zmiany w składzie

chemicznym i wartości

użytkowej jadalnych części

roślin

zwiększenie zawartości niedoborowych

aminokwasów
„projektowanie olejów roślinnych”,
poprawa cech sensorycznych produktu

III

0

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 B

2.

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),
– żywność zawierająca przetworzone GMO
(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 