Zastosowanie genetyki w uprawie roślin

Genetyka to nauka o dziedziczności i zmienności organizmów, które są oparte na informacji zawartej w podstawowych jednostkach dziedziczności - genach.

Historia

• Uprawa roślin została zapoczątkowana już około 10 tysięcy lat temu.

• Niezbyt skomplikowana selekcja odpowiednich osobników pozwalała na uzyskanie pożądanych w roślinach cech. By wyselekcjonować odpowiednie gatunki i odmiany, rolnicy stosowali metodę prób i błędów.

• W XVIII rozpoczęto przeprowadzanie wielu eksperymentów dotyczących dziedziczenia cech.

• W XIX wieku botanicy zaczęli selekcjonować najlepsze okazy i ,,krzyżować” je z innymi. W ten sposób otrzymano wiele nowych odmian roślin użytkowych.

• Karol Darwin, autor dzieła o teorii rewolucji, nie potrafił wyjaśnić, w jaki sposób dziedziczone i przekazywane są pewne cechy.

• Tymczasem pewien mnich z klasztoru augustianów w Brnie na Morawach przeprowadził bez rozgłosu szereg eksperymentów, które miały w przyszłości doprowadzić do odkrycia mechanizmów dziedziczenia.

W 1856 roku Johann Mendel (znany pod zakonnym imieniem Gregor) w przyklasztornym ogródku zaczął eksperymentować z grochem. Mendel śledził każdą indywidualną cechę poprzez kolejne pokolenia rośliny. Wybierał odmiany grochu wykazujące trwałe cechy np. długie lub karłowate strąki, nasiona pomarszczone lub gładkie, żółte lub zielone.

Po wielu badaniach Mendel doszedł do przekonania, że każdą cechę warunkuje czynnik, który może istnieć w jednej z dwóch form.

Wniosek prosty: każda roślina posiada parę czynników, które zostają rozdzielone po jej zapyleniu, ale mogą połączyć się znowu w kolejnym pokoleniu. Czynniki te to geny. Słowo ,,gen” pochodzi z języka greckiego i oznacza ,,rodzić”. Mendel jednak nie miał pojęcia o istnieniu genów; termin ten został wprowadzony dopiero w 1909 roku.

Sprawozdanie z badań Mendla zostało opublikowane w poważnym austriackim piśmie, jednak Mendel został doceniony dopiero ponad 30 lat później, już po swojej śmierci.

Lista cech, które zgodnie z odkryciem Mendla, były dominujące lub recesywne dla okazów grochu.

Chociaż odkrycia Mendla nie od razu zostały docenione, to jednak w ogromnym stopniu przyczyniły się do rozwoju genetyki.

Inżynieria genetyczna to zespół technik badawczych pozwalający na wyizolowanie i charakterystykę określonych genów, a także wprowadzenie do nich zmian. Dziedzina ta jest rozwijana od początku lat 70-tych poprzedniego wieku.

Inżynieria genetyczna powoli i systematycznie wkracza w coraz to nowe dziedziny życia. Wykorzystuje się ją w medycynie (zarówno w diagnostyce, profilaktyce jak i terapii), przemyśle farmaceutycznym. Współczesna biotechnologia coraz częściej próbuje ingerować w naturę. Prawdopodobnie niedługo powszechna stanie się transgenizacja zwierząt i roślin, być może także ich klonowanie. Perspektywy zastosowań są niezmiernie szerokie.

Inżynieria genetyczna roślin

Nowe i zmienione geny wprowadza się do pojedynczych komórek roślinnych hodowanych w laboratorium. Z poszczególnych komórek można uzyskać całą roślinę, nawet jeśli nie są to komórki zarodkowe. Modyfikacja genetyczna roślin nie zawsze polega na wzbogacaniu jej o dodatkowe geny. Często zabieg ten polega na wzmocnieniu lub wyeliminowaniu działania genów już w nich zawartych.

Gąsienice nie zniszczą liści pomidora, którego komórki zawierają gen

kodujący białko toksyczne dla gąsienic. Gen pochodzi z bakterii Bacillus thuringiensis

Zastosowanie genetyki

a) zalety

• Ulepszanie roślin ważnych dla rolnictwa, a co za tym idzie- zwiększanie plonów.

• Rośliny mogą zawierać większe ilości składników odżywczych.

• Rośliny poddawane modyfikacjom mogą być uprawiane w różnych klimatach i na różnych glebach. Przykład: w strefie tropikalnej ziemie są trudne do uprawy, gdyż zawierają duże ilości glinu. Pierwiastek ten jest toksyczny dla większości roślin, a jego nadmiar może spowodować redukcję plonów aż o 80%. Naukowcy z Meksyku opracowali więc nową, modyfikowaną kukurydzę, która uwalnia do gleby kwas cytrynowy. Kwas reaguje z glinem w glebie i hamuje jego pobór przez rośliny.

• Odporność roślin na niekorzystne warunki: mróz, suszę czy też zanieczyszczenia środowiska.

• Produkcja żywności transgenicznej dla krajów Trzeciego Świata, czyli rozwiązywanie problemu głodu na świecie.

• Zwiększenie wydajności roślin (na przykład przedłużenie trwałości owoców). Uprawa roślin transgenicznych (np. soi i kukurydzy) jest tańsza od uprawy klasycznych ich odmian.

• Plony nadają się do dłuższego przechowywania po zebraniu. Jest to szczególnie istotne tam, gdzie techniki chłodzenia i metody składowania są dalekie od doskonałości.

• Surowce pozyskiwane z tych roślin są lepszej jakości.

• Powstawanie nowych odmian roślin, które mogą posiadać cenne właściwości. Przykładem może być tak zwany złoty ryż, do którego wprowadzono gen wytwarzania witaminy A. Takie rośliny mogą mieć wielkie znaczenie w zapobieganiu chorobom wynikającym z braku witamin.

• Rośliny te są odporne na herbicydy (chemiczne środki ochrony roślin), na choroby powodowane przez grzyby, wirusy, bakterie oraz na szkodniki.

• Uprawa roślin w kierunku pożądanym przez człowieka, np. duże owoce, niskie drzewa.

• Usuwanie substancji alergennych występujących w roślinach.

• Wykorzystanie roślin jako bioreaktorów. W ten sposób można uzyskiwać także inne białka, enzymy, antybiotyki. W przyszłości zmodyfikowane rośliny mogą stać się źródłem tanich szczepionek.

b) wady

• Zagrożenia pochodzące z tworzenia i zastosowania nowych broni biologicznych.

• Ingerowanie w odwieczny porządek świata- mogą wystąpić zaburzenia w wielu ekosystemach.

• Smak modyfikowanych roślin (owoców, warzyw) może różnić się od smaku owoców niemodyfikowanych.

Rośliny transgeniczne mogą posiadać cechy, które trudno uzyskać w sposób inny niż poprzez wprowadzenie konkretnych genów. Otrzymuje je się z transformowanych komórek roślinnych. Tak powstają rośliny odporne na szkodniki czy też działanie herbicydów.

Ciekawostki

• Dogłębne badania mchu pozwoliły naukowcom przedstawić hipotezę, że wszystkie pozytywne cechy z mchu będzie można niejako "wkleić" do genomu zmodyfikowanych roślin uprawnych, aby polepszyć ich walory, głównie pozyskać odporność na suszę, jaką mech posiada naturalnie.

• Znaleziono gen, który umożliwia niektórym odmianom ryżu przetrwać w całkowitym zalaniu nawet do dwóch tygodni. Wykorzystanie go w odmianach uprawnych tej rośliny pozwoli na ograniczenie strat związanych z częstymi powodziami na obszarach Azji, gdzie uprawiany jest ryż - a większość odmian wytrzymuje tylko kilka dni zatopienia. Warto pamiętać, że ryż jest podstawowym pożywieniem dla ponad połowy ludności na świecie.

• W Wielkiej Brytanii przeprowadzono program mający na celu odnalezienie kluczowych genów odpowiedzialnych za określone cechy jęczmienia, mające znaczenie w produkcji piwa i whisky. Celem badań jest oczywiście uzyskanie ziarna o lepszych właściwościach gorzelniczych i browarniczych.

• Odkrycie genu odpowiedzialnego za pomarańczowy kolor naturalnej odmiany kalafiora może doprowadzić do opracowania bardziej odżywczych roślin uprawnych - na przykład kukurydzy, ziemniaków ryżu, sorgo i pszenicy. Pomarańczowy kalafior-mutant pojawił się 30 lat temu na polu białych kalafiorów, należącym do kanadyjskiego farmera. Zespół naukowców z Cornell University, kierowany przez genetyka Li Li, wyizolował z komórek kalafiora mutację genu, która pozwala gromadzić więcej karotenu, barwiącego roślinę na kolor żółtopomarańczowy. Karoten może być przekształcony w witaminę A, której niedobór, częsty w krajach rozwijających się, prowadzi do osłabienia układu odpornościowego i jest najczęstszą przyczyną utraty wzroku przez niedożywione dzieci.

• Studenci z Singapuru wynaleźli roślinę, która - w potrzebie - potrafi komunikować się z ludźmi. Studentom z Politechniki Singapurskiej udało się tak zmodyfikować genetycznie roślinę, że odwodniona zaczyna świecić na zielono. Fluorescencyjny kolor, który oznacza "Pić!", trudno jednak zobaczyć "gołym okiem" - zastrzegają odkrywcy. Potrzeba do tego specjalnego optycznego czujnika, który studenci opracowali we współpracy z kolegami z innej singapurskiej uczelni - Uniwersytetu Technicznego Nanyang. Rośliny sygnalizujące brak wody będą pomocne przy opracowywaniu najbardziej efektywnych systemów irygacji pól uprawnych.

• Pierwsza roślina modyfikowana genetycznie powstała w 1983 roku na belgijskim uniwersytecie w Gandawie Naukowcy z tego właśnie ośrodka odkryli bakterię, która powodowała raka roślin w ten sposób, że wprowadzała własne geny do struktury DNA rośliny. Badaczom udało się wykorzystać tę bakterię do wprowadzenia genu odporności do łańcucha DNA tytoniu.

• W wyniku zabiegów inżynierii genetycznej udało się umieścić geny robaczków świętojańskich w tytoniu, dzięki czemu uzyskano świecącą jego odmianę.

• Obecnie trwają prace m.in. nad wprowadzeniem do roślin genu małży, co umożliwi produkcję bezpiecznego i trwałego kleju, który znajdzie zastosowanie w chirurgii.

• Polskim akcentem jest modyfikowana sałata produkująca szczepionkę na zapalenie wątroby typu B - została ona opracowana przez naukowców z Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu pod kierownictwem prof. Legockiego - jest to przykład wykorzystania rośliny jako bioreaktora.

Źródła:

http://www.eduskrypt.pl/

www.wikipedia.pl

http://www.biolog.pl/content-56.html

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/biotech/biotech0.html

http://www.wiw.pl/biologia/genetyka/JezykGenow/Esej.asp?base=r&cp=1&ce=43

http://www.biolog.pl/content-96.html

http://www.biotechnolog.pl/

http://www.bosko.pl/relaksik/?art=506

,,Świat Wiedzy”, dział: Nauka i Technika

---