Od tysięcy lat ludzie starali się wyhodować odmiany roślin mające lepsze cechy użytkowe. Stosowali w tym celu różne metody - prowadzili oni selekcję materiału nasiennego oraz krzyżowali między sobą rośliny różnych gatunków. W ubiegłym stuleciu zaczęto stosować nowe metody - indukowanie mutacji przez promieniowanie jonizujące lub stosowanie metod chemicznych. Dzięki rozwojowi inżynierii genetycznej, w latach 80. ubiegłego wieku opracowano mechanizm umożliwiający bezpośrednią modyfikację genomu „poprawianego” organizmu.
Modyfikacja genomu może polegać na wprowadzeniu fragmentu DNA z obcego organizmu, usunięciu genu lub jego bezpośredniej modyfikacji. Organizmy genetycznie modyfikowane określane są jako organizmy transgeniczne lub GMO (ang. Genetically Modified Organisms).
Modyfikacje genetyczne dotyczą zarówno mikroorganizmów, jak też organizmów wyżej zorganizowanych (roślin i zwierząt).Koncentrując się na modyfikacjach genetycznych roślin można wyróżnić dwa główne cele takich modyfikacji:
agronomiczne (ang. Input traits):
. odporność na herbicydy HT (ang. Herbicide tolerance),
. odporność na szkodniki roślin IR (ang. Insect resistance) oznaczane również Bt od nazwy bakterii Bacillus thuringensis, której geny wykorzystywane są do tych modyfikacji.
. odporność na choroby wirusowe, grzybowe lub bakteryjne,
. odporność na niekorzystne warunki zewnętrzne, np. mróz, susza, zasolenie gruntu,
użytkowe (ang. Output traits):
. przedłużona trwałość produktu końcowego (np. pomidory Flavr Savr wprowadzone do obrotu w USA w roku 1994),
. zmiana składu chemicznego (np. zwiększenie zawartości tłuszczu w rzepaku, cukru w buraku cukrowym, betakarotenu w ryżu),
. zmiana właściwości organoleptycznych (np. poprawienie aromatu kawy),
. poprawa własności handlowych (np. zmiana ubarwienia kwiatów).
Uprawę roślin transgenicznych rozpoczęto w skali przemysłowej w 1996 roku w USA na powierzchni 1,5 mln ha. W chwili obecnej w krajach OECD uprawianych jest kilkadziesiąt gatunków roślin transgenicznych. Areał upraw roślin transgenicznych co roku wykazuje dynamiczny przyrost z 1,7mln ha w roku 1996 do 114,3mln ha w 2007 roku.
W 2006 roku rośliny transgeniczne były uprawiane w 22 krajach. W kolejności ze względu na największy areał to: Stany Zjednoczone, Argentyna, Brazylia, Kanada, Indie, Chiny, Paragwaj, Republika Południowej Afryki, Urugwaj, Filipiny, Australia, Rumunia, Meksyk, Hiszpania, Kolumbia, Francja, Iran, Honduras, Czechy, Portugalia, Niemcy i Słowacja. W pierwszych ośmiu krajach powierzchnia przekroczyła 1 mln hektarów, i one są głównymi producentami roślin transgenicznych na świecie. Ponadto pierwsza czternastka została sklasyfikowanych jako tzw. 'mega-kraje GMO', czyli o areale upraw transgenicznych równym lub wyższym od 50 tys. ha (w Europie to Rumunia i Hiszpania). Połowa z 22 krajów gdzie obecne są uprawy transgeniczne to kraje tzw. rozwijające się. W krajach tych wzrost powierzchni upraw rośnie najszybciej - pomiędzy 2005 a 2006 rokiem wyniósł 7mln ha (o 21%). W krajach rozwiniętych analogiczne dane to 5mln ha (wzrost o 9%).
Krajem o największej powierzchni roślin transgenicznych są Stany Zjednoczone - na obszarze 54,6 mln ha, co stanowi 53% globalnego areału, uprawiane są głównie: soja, kukurydza, bawełna, rzepak, kabaczek, papaja i lucerna. Kolejne kraje to Argentyna (18 mln ha, 17,6%, soja, kukurydza i bawełna), Brazylia (11,5 mln ha, 11,3%, soja i bawełna), Kanada (6,1 mln ha, 6%, rzepak, kukurydza i soja), Indie (3,8 mln ha, 3,7%, bawełna).
Najpowszechniej uprawianą rośliną modyfikowaną genetycznie pozostaje soja - w 2006 roku wysiano ją na 58,6 mln ha, co stanowiło 57% globalnego areału. Kolejne to: kukurydza (25%), bawełna (13%), rzepak (5%). W Iranie na powierzchni poniżej 50 tys ha jest także uprawiany transgeniczny ryż.
Konsekwentnie, od 1996 roku, tolerancja na środki chwastobójcze (herbicydy) jest najczęściej stosowaną modyfikacją genetyczną roślin uprawnych. W 2006 roku rośliny z tą modyfikacją (soja, kukurydza, rzepak, bawełna i lucerna) były uprawiane na 69,9 mln ha (68% globalnego areału). Drugie w kolejności, uprawy kukurydzy i bawełny z modyfikacją Bt - nadającą odporność na szkodniki owadzie, były uprawiane na 19 mln ha (19%). 13,1 (13%) stanowiły uprawy kukurydzy i bawełny z obiema wymienionymi modyfikacjami jednocześnie
GMO, czyli organizmy zmodyfikowane genetycznie (organizmy transgeniczne) to rośliny, zwierzęta i drobnoustroje, których geny zostały celowo zmienione przez człowieka. Rekombinacja DNA i inne pokrewne techniki pozwalają tworzyć organizmy o odmiennych właściwościach niż macierzy gatunek. Pierwszy "GMO "został stworzony w 1973 przez Stanley Cohena i Herberta Boyer'a. Najczęściej modyfikowane rośliny: kukurydza, pomidory, soja, ziemniaki, bawełna, melony, tytoń.
Organizmy Modyfikowane Genetycznie (GMO) są to rośliny lub zwierzęta, które dzięki modyfikacji w ich genomie - materiale genetycznym - uzyskały nowe cechy. Modyfikacja genetyczna zwykle polega na ustawieniu nowego genu (co fizycznie jest fragmentem DNA) do genomu modyfikowanego organizmu. Jednak można także i wyciszać geny poprzez wprowadzenie komplementarnego genu kodującego tzw. nonsensowne RNA, czy też za pomocą kierowanej mutagenezy, wywołać mutacje w konkretnym genie, co może doprowadzić do jego inaktywacji (dokładnie inaktywacji produktu tego genu).
Rośliny transgeniczne dzięki modyfikacjom genetycznym nabierają odporności przede wszystkim na herbicydy (środki ochrony roślin) i szkodniki owadzie (pędów i korzeni), ale także i niekorzystne warunki środowiska (suszę, mróz, zasolenie gleby). Są też wykorzystywane do produkcji farmaceutyków, np. szczepionek, przeciwciał.
Rośliny transgeniczne - modyfikowane genetycznie są głównie rośliny mające duże znaczenie gospodarcze, zmiana genomu ma na celu nadanie im pożądanych przez człowieka cech, tj. większa trwałość, odporność na szkodniki, wirusy i grzyby, herbicydy (środki ochrony roślin), podniesienie ich cech jakościowych, np. lepszego smaku.
Zwierzęta transgeniczne - modyfikacje zwierząt nie są tak popularne jak roślin, głównie ze względu na trudności w samym procesie modyfikacji, proces jest bardzo skomplikowany i trwa długo, koszty są bardzo duże.
Modyfikacje roślin - typy
1. Odporność na herbicydy - chemiczne środki ochrony roślin, środki chwastobójcze.
Są to najpowszechniejsze modyfikacje roślin. Nadanie odporność rośliny na działanie herbicydu pozwala na niego stosowanie, bez obawy o zniszczenia uprawianej rośliny. Modyfikowana roślina posiadają 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.
Modyfikacja ta jest jedną z najczęściej stosowanych, tak zmodyfikowano już bardzo wiele roślin: soję (najczęściej uprawiana roślina transgeniczna), kukurydzę, rzepak, tytoń, pomidory.
Najczęściej nadawana jest odporność na herbicyd RoundUp Ready (glifosat). Herbicyd ten hamuje działanie syntazy EPSPS - enzymu który bierze udział w syntezie aminokwasów aromatycznych. Modyfikacja dająca oporność na RoundUp zostaje uzyskana albo poprzez wprowadzenie do rośliny genu kodującego syntazę EPSPS nie wrażliwą na herbicyd, albo poprzez wprowadzenie genu odpowiedzialnego za powstanie enzymu GOX (oksydoreduktazy glifosatu), który rozkłada aktywny składnik RoundUp'u - glifosat.
2. Odporność na choroby powodowane przez grzyby, wirusy, bakterie.
Odporność na choroby grzybowe i bakteryjne uzyskuje się poprzez wprowadzenie transgenu kodującego enzymy - hitynaza, glukanaza, które niszczą ich ścianę komórkową. Inny transformowany gen, koduje osmotynę - białko wiążące się z błoną komórkową powodując jej zniszczenie.
Odporność na wirusy uzyskuje się poprzez wprowadzenie do rośliny genów białek płaszcza (kapsydu) danego wirusa, a także jego enzymów: replikazy, proteazy - pojawienie się tych białek powoduje to, iż późniejsza infekcja tym wirusem jest znacznie słabsza lub skutki choroby pojawiają się z dużym opóźnieniem.
Przykładem może być tytoń odporny na wirusa mozaiki tytoniowej (TMV), ogórka na wirusa mozaiki ogórka, kalafiora na wirusa mozaiki kalafiora.
3. Odporność na owady - szkodniki.
Gen odpowiedzialny za taką odporność - 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.
Pierwsza uprawianą rośliną Bt był ziemniak odporny na stonkę, inne to bawełna, kapusta, pomidory, oraz przede wszystkim kukurydza - kukurydza Bt (MON 810).
4. Odporność na niekorzystne warunki środowiska.
Czyli na mróz, wysoką temperaturę, suszę, i zasolenie gleby, nadmiar promieniowania - umożliwia uprawę rośliny na terenach dotychczas niekorzystnych dla nich. Także uzyskuje się rośliny odporne na zanieczyszczenia środowiska, głównie szkodliwe metale w glebie. Tworzy się także rośliny zdolne do akumulacji metali ciężkich - dzięki temu pobierając je z gleby oczyszczają środowisko, np. gorczyca.
5. Poprawa cech jakościowych oraz użytkowych roślin.
Są to m.in. modyfikacje powodujące opóźnienie dojrzewania (zwiększenie trwałości) - poprzez wprowadzeni dodatkowych genów. Modyfikacja taka uniemożliwiała powstanie tych enzymów (rozkładających ścianę komórkową), przez co warzywa i owoce dłużej pozostawały świeże, co ma duże znaczenie głównie w transporcie. Pomidor z tą modyfikacją był pierwszym GMO wprowadzonym do sprzedaży.
Zwiększenie zawartości suchej masy poprzez wzrost syntezy skrobi - pomidory, stworzenie transgenicznego ryżu (z genami żonkila), który charakteryzuje się zwiększoną produkcją beta-karotenu, prekursora witaminy A - powoduje to też żółte zabarwienie nasion - "złoty ryż", pszenica o zwiększonej zawartością glutenu - co poprawia cechy mąki uzyskiwanej z takich ziaren.
Modyfikacje roślin ozdobnych, które dzięki temu mają intensywniejszą barwę (nadprodukcja karotenoidów), zmiana tekstury zabarwienia - nowe kolory, lepszy zapach.
Inne to wprowadzenie genów odpowiedzialnych za produkcję białek odżywczych, większej zawartości mikroelementów, usuwanie substancji alergennych, a także nadające lepszy smak i intensywniejszy aromat - kawa.
Także krzewy kawowe zostały zmienione w taki sposób, że zebrana z nich kawa zawiera do 70% kofeiny mniej niż normalnie.
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. W ten sposób można uzyskiwać także inne białka, enzymy, antybiotyki.
Rośliny transgeniczne (modyfikowane genetycznie) - przykłady
Kukurydza
- odporność na owady - wszczepiony został gen odpowiedzialny za wytwarzanie białka, które zjadane przez owada niszczy jego przewód pokarmowy co doprowadza do śmierci. Białko to "działa" tylko w organizmach niektórych, ściśle określonych gatunków owadów-szkodników, nie jest aktywne np. u człowieka.
- wytwarzanie substancji używanych do wyrobu leków lub szczepionek,
Ziemniaki
- 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,
- odporność na herbicydy, stonkę ziemniaczaną, wirusy,
- "słodkie ziemniaki" - wprowadzenie genu odpowiedzialnego za wytwarzanie słodkiego białka - taumatyny,
- odporność na ciemnienie pouderzeniowe - większa trwałość,
- mała zawartość glikoalkaloidów - substancji szkodliwych na człowieka, występujących w surowych ziemniakach.
Pomidory
- spowolnienie dojrzewania, większa trwałość
- większa zawartość suchej masy,
- poprawa smaku (?),
- intensywniejsza barwa, cieńsza skórka.
Truskawki
- wyższa słodkość owoców,
- spowolnienie dojrzewania,
- odporność na mróz.
Soja
- odporność na środki ochrony roślin - herbicydy,
- odporność na wirusy, herbicydy, szkodniki,
- obniżona zawartość kwasu palmitynowego.
Rzepak
- odporność na herbicydy,
- zmniejszona zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych,
- większa zawartość kwasu lauronowego.
Buraki cukrowe
- odporność na herbicydy i szkodniki,
- dłuższy okres przechowywania bez strat w zawartości cukru.
Ryż
- zwiększona produkcja beta-karotenu, prekursora witaminy A - wszczepione został geny pochodzące z żonkila, modyfikacja w zamierzeniu miała rozwiązać problem braku witaminy A u dzieci w Azji Wschodniej.
Sałata
- produkująca szczepionkę na zapalenie wątroby typu B - można się szczepić jedząc sałatę
Bawełna
- odporność na herbicydy i szkodniki.
Pszenica
- zwiększenie zawartości glutenu - lepsza mąka.
Dynia
- odporność na grzyby
Winogron
- odmiany bezpestkowe.
Banany
- odporność na wirusy i grzyby - zakażają się poprzez uszkodzenia w transporcie.
Kapusta
- odporność na szkodniki, mniejsze wymiary główek.
Seler
-zwiększona kruchliwość.