Bitki Biyoteknolojisinin Çeşitli Uygulamaları

Bitki Biyoteknolojisi Uygulamaları!

Bitkilerin genetik mühendisliği, kullanımlarını geliştirmek için özelliklerini veya performansını değiştirme fırsatı sunar. Bu teknoloji, bitkilerde zaten mevcut olan genlerin ekspresyonunu değiştirmek veya bitkinin geleneksel olarak bağlanamadığı diğer türlerin yeni genlerini tanıtmak için kullanılabilir. Böylece, geleneksel ıslah amaçlarının yerine getirilmesinde daha fazla verimlilik sağlar.

Bu tür tekniklerin önemli uygulamalarından biri, arzu edilen bitki tiplerine tek genlerin eklenmesidir. Bitki dönüşümü, yeni bir pazar oluşturan veya geleneksel ürünlerin yerini alan yeni veya yeni özellikler getirmek için kullanılabilir. İyileştirme, bitkinin besin değeri veya işlemedeki fonksiyonel özellikler veya hatta kendi başına tüketim ile ilgili olabilir.

Hepsinden önemlisi, bu teknoloji ilgisiz organizmalar arasında gen aktarma olasılığını arttırır ve böylece klonlanmış genlerin spesifik değişimi ile yeni genetik bilgi oluşturur. Bu teknolojinin etkilerini daha ayrıntılı olarak tartışalım.

Yemek kalitesi:

Beslenme Kalitesi :

Tohum bitkileri, insan ve hayvan beslenmesinde önemli bir rol oynar. Sadece birkaç tahıl, toplam gıda kalorisinin yaklaşık yüzde ellisine katkıda bulunur. Benzer şekilde, yedi tane hububat bakliyat kalori alımımızın büyük bir bölümünü oluşturmaktadır.

Bununla birlikte, tahıl ve baklagiller, lisin ve treonin gibi amino asitlerde eksik olan bazı proteinleri içerir. Baklagiller ayrıca kükürt amino asitlerinde de eksiktir. Pirinç gibi bazı diğer tohum bitkileri daha iyi amino asit dengesi sağlar, ancak genel protein seviyelerinde düşer.

Ortak mantık, bu eksikliklerin diğer ürünlerden ödünç alınmasıyla eksikliklerinin üstesinden gelinebilirse, bu yiyeceklerin her birinin mükemmelliğe yakalanabileceğini izler. Bitki biyoteknolojisinin yaptığı tam olarak budur - tek veya çok sayıda genin önemli bileşenlere sahip olmayan bitkilere aktarılması.

Son zamanlarda, İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'ndeki (Zürih) Profesör Ingo Potrykus ve Freiburg Üniversitesi'nden (Almanya) Dr. Peter Beyer, A vitamini veya b-karoten seviyelerinin daha yüksek olduğu 'Altın Pirinç'i geliştirdi.

Bu değiştirilmiş pirincin, yılda yüz binlerce çocuğun geri dönüşü olmayan körlüğü de dahil olmak üzere, A vitamini eksikliği ile ilgili hastalıklardan muzdarip olanlara besinsel faydalar sağlaması beklenir. Yeterli A vitamini içeriği, insan bağışıklık sisteminin aktivitesini artırarak diyare ve çocukluk kızamık gibi bulaşıcı hastalıklarla ilişkili ölümleri de azaltabilir.

Genetik araçlar gıdanın karbonhidrat, yağ, lif ve vitamin içeriğini değiştirmek için kullanılabilir. Bir başka faydalı uygulama, protein bakımından zengin tahıllardan genlerin toplanması ve düşük proteinli gıdalara aktarılmasıdır. Aslında, benzer bir deney, Yeni Delhi'deki Jawaharlal Nehru Üniversitesi'nde de yapıldı. Bilim adamları, bir genin amaranth (Chaulai) 'den bir parolaya bir gen aktardığı bir deney yaptı. Patates sadece protein içeriğinde değil, aynı zamanda boyutunda da bir artış kaydetti.

Transgenik araçlar aynı zamanda, besin karşıtı faktörlerini (baklagiller içindeki proteaz inhibitörleri ve hemaglütininler gibi) azaltarak bitkilerin besin değerini artırmak için kullanılmaktadır. Bazı yiyeceklerde yuvarlanma ile ilgili problemler, diyet lifi ve oligosakarit içeriği manipüle edilerek de ele alınabilir.

Biyoteknik uygulamalar buğdayda da son derece faydalıdır. Buğdayın kalitesi, tahılın tohum depolama proteinlerinin varlığı ile belirlenir. Dolayısıyla, bu proteinlerin varlığını manipüle ederek kalitesi iyileştirilebilir. Hamura daha fazla esneklik kazandırmak için daha fazla glüten proteini de eklenebilir. Ayrıca, buğdayın nişasta içeriği, erişte gibi ürünlerin özelliklerine uyacak şekilde değiştirilebilir.

İşlevsel Kalite:

Olgunlaşma sürecini manipüle ederek lezzet ve dokusunu geliştirmek için meyve ve sebzelere dönüşüm uygulanabilir. Bitki ürünlerinin işlenmesi sırasındaki performansı genetik mühendisliği ile de geliştirilebilir. Örneğin, genetiği değiştirilmiş ilk gıda olan Flavr-Savr domatesi genetik olarak olgunlaşmasını yavaşlatmak için manipüle edildi ve daha uzun bir raf ömrüne sahipti (Şekil 2).

Olgunlaşmayı kontrol etmek için bir başka yaygın strateji, olgunlaşma hormonu etilen üretimini durdurmaktır. Etilen, ACC-Sentaz varlığında 1-amino-siklopropan-1-Karboksilik asit (ACC) 'ye dönüştürülerek S-adenosilmetiyoninden, ardından bir ACC oksidaz veya etilen oluşturan enzim tarafından etilen üretimi ile üretilir.

Olgunlaşma antisens yapıları bu enzimlerden herhangi birine karşı yönlendirerek veya ACC'yi bir ACC deaminaz ile çıkartarak geciktirilebilir. Meyveler daha sonra yapay bir etilen kaynağına maruz bırakılarak gerektiği gibi olgunlaştırılabilir.

Malting ve Bira Yapma:

Bira üretimi, kontrollü koşullar altında arpa çimlenmesini içerir. Dolayısıyla, bira kalitesi büyük ölçüde arpa tanesinin bileşimine bağlıdır. Bu tanelerin çoğu kalitesi genetik mühendisliği ile büyük ölçüde iyileştirilebilir. Örneğin, arpa enzimlerinin stabilitesinin arttırılması (özellikle yüksek sıcaklıklarda), ezme sırasında kullanılan sıcaklıktaki etkinliğini artırabilir. Bira lezzetini ayrıca arpanın genetik olarak muamele edilmesiyle de manipüle edilebilir. Bu tekniklerden biri, lipo-oksijenaz seviyelerinin azaltılmasıdır.

Depolama Karbonhidratlar:

ADP pirofosforilaz gibi bazı enzimlerin seviyelerinin arttırılması, gıda ürünlerinin nişasta sentezini artırabilir. Bu, nişastalı yiyeceklerin verimini artırabilir. Dönüşüm, bitki nişastalarının özelliklerini de değiştirebilir. Nişastadaki amilaz ve amilopektinin oranı ve kalitesi de düzenlenebilir. Bu, nişastanın terzisinin, belirli gıdalar veya endüstriyel ürünler için gereksinimleri karşılamasını sağlar.

Artan fruktan seviyelerine sahip transgenik bitkiler (bir glikoz şekli) zaten bakterilerden bir levansükraz kullanılarak üretilmektedir. Bitkilerin sükroz içeriği, şeker kamışı ve şeker pancarı gibi şeker bitkilerinin kalitesini arttırmak için manipüle edilebilir.

Hastalık direnci:

Böcek direnci:

Genetik mühendisliği, haşere dirençli bitki üretimi için bir nimet olduğunu kanıtlamıştır. Bu teknoloji kimyasal böcek ilacı kullanımının eksikliklerinin üstesinden gelmiştir. Son zamanlarda, hastalıklara dirençli genleri bitki türlerine sokma tekniği de büyük bir popülerlik kazanmıştır.

Örneğin, proteaz inhibitörleri, proteinlerin böcekler tarafından sindirilmesini önleyebilir ve böylece büyüme hızlarını yavaşlatabilir. Bu tür proteinlerin bitkilere aktarılması, böcek saldırısına karşı doğal bir koruma mekanizması olarak işlev görür.

Bazı bakteri genlerinin de zararlı böcek hasarını önlemede oldukça etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bacillus thuringiensis (Bt) böcek larvalarına karşı etkili olan Bt Toksini üretir. Bt genlerini barındıran transgenik bitkiler soya fasulyesi, mısır ve pamuk gibi mahsullerde üretildi ve haşere saldırılarına karşı dirençli oldukları kanıtlandı.

Diğer birçok serokimyasal (böcek davranışını değiştiren kimyasallar) bazı böcek ve bitki türleri tarafından üretilir. Bunları başka bitkilere aktarmak hastalık oluşumunu kontrol etmede çok etkili olabilir. Başka bir örnek almak gerekirse, hassas patates mahsulü farnaz, terpenoid ve diğer ilgili bileşikler gibi anti-ücretli kimyasallar içermez.

Bunlar, Solanum berthaultii (yaprak kıllarında) gibi yaprak bitlerine dayanıklı bitki türleri tarafından üretilir. Bu bileşikler, yaprak bitlerinde bir saldırı tepkisi uyandırarak hareket ederler, böylece kendilerini ürün üzerinde kuramazlar. Bu genlerin patates ürününe aktarılması, yaprak biti tehlikesinden korunabilir.

Virüs Direnci:

Virüslere dirençli transgenik bitkilerin üretimi, bitki dönüşümünün en başarılı uygulamalarından biridir. Bitkideki viral genomun ekspresyonunu içeren çeşitli stratejilerin etkili olduğu kanıtlanmıştır. Örneğin, virüsden kat protein geninin ifadesi yaygın olarak başarılı olmuştur. Viral genomun parçalarının hem sens hem de antisens ekspresyonu, viral enfeksiyona karşı koruyucu olabilir.

Nematod Direnci:

Nematod direnci için yeni genler, nematod dirençli bitkilerin üretimine alternatif bir yaklaşım sunar. Genetik mühendisliği, bu uzun vadeli bitki zararlılarına karşı genetik dirençli transgenik bitkiler geliştirme ve böylece tarımdaki kimyasal nematitlere bağımlılığı azaltma fırsatı sunar.

Herbisit Direnci :

Herbisit seçimi, yüksek direnç indükleme riski taşıdığı için çok önemlidir. Yabani otlar, bazı herbisit sınıfları aynı moleküler hedef üzerinde etkili olduğunda bazı sistemlerde hızla herbisit direnci geliştirebilir. Burada yine, herbisit direnci genleri, herbisitin detoksifiye edilmesiyle (onu aktif olmayan bir forma dönüştürerek) koruma sağlar.

Fotosentetik Verimliliği Artırma:

Fotosentez süreci, bitkilere enerji eklemek için en önemli mekanizmadır. Bununla birlikte, en verimli tesisler bile tam güneş ışığının sadece yüzde üç ila dörtünü kullanabilirler. Biyoteknoloji şimdi RuBPCase'nin (karbondioksit fiksasyonunda yer alan Ribulose bis fosfat karboksilaz) fotosentetik verim seviyesini arttırmak için kullanılmaktadır.

Bu, katalizin verimliliğini arttırır ve rekabetçi oksijenaz fonksiyonunu azaltır (RuBP Case ayrıca bir oksijenaz gibi davranır). Farklı türlerden enzimlerin büyük ve küçük alt birimlerini kodlayan genlerin birleştirilmesiyle faydalı varyantlar da üretilebilir.

Bunu yapmanın iki farklı yolu:

Abiyotik Stres Toleransı:

Bitki verimliliği, gelişim süreci boyunca çeşitli stres biçimlerinden dolayı büyük kayıplara uğramaktadır. Bu stres faktörleri sıcaklık, tuzluluk, kuraklık, sel, UV ışığı ve çeşitli enfeksiyonları içerir. Bu tür tepkilerin moleküler temeli henüz net olmasa da, spesifik proteinlerin (sıcaklık şoku altında) ve enzimlerin (anaerobiyoz altında alkol dehidrojenaz ve UV ışıması altında fenil alanin amino liyazı) de novo sentezini içerdiklerini biliyoruz.

Abiyotik strese cevap veren genler, bitkilere tolerans kazandırmak için glikoklaz 1'i kodlayan bir geni tanımlayan ve dönüştüren yazarlar da dahil olmak üzere birçok laboratuvarda klonlanmış ve dizilmiştir.

Bazı genlerin düzenleyici dizileri de tanımlanmıştır. Örneğin, 5-promoter alkol dehidrojenaz dizisi, CAT raportörüne (Chloremphenicol Acetyl Transferase) genine bağlandı ve 02- duyarlı ekspresyonun gösterildiği tütün protoplastlarına aktarıldı.

Bu tür çevresel olarak uyarılabilir promotörler, gen ekspresyonunu incelemek için kesinlikle faydalı araçlar olacaktır ve bu çalışma, regüle edilen promotörler altındaki strese duyarlı genlerin duyarlı türlere aktarılması için temel oluşturacaktır. Son zamanlarda tuzluluğa dayanıklı domates bitkileri geliştirilmiştir.

Deniz kaynakları gibi çeşitli organizmalardan gelen genler, bitkileri çeşitli şekillerde geliştirmek için de kullanılabilir. Bu, genleri deniz bitkilerinden (halofitlerden) tahıl ve bitkisel ürünlere aktararak, tuza dayanıklı türlerin geliştirilmesine yönelik yenilikçi bir adımdır.

Benzer şekilde, bir dere pisisi balıktan bir proteini kodlayan bir gen, donma hasarına karşı onları korumak için bitkilere dönüştürüldü. Bu protein, hasat sonrası depolamada donma hasarını önlemede faydalı olabilir. Dolayısıyla, dondurma, şu anda dondurmaya uygun olmayan bazı meyve ve sebzelerin yapısını ve tadını korumak için kullanılabilir.

Baklagil Olmayan Ürünlerde Azot Sabitleme Kapasitesinin Geliştirilmesi:

Azotlu gübrelerin uygulanmasının mahsul verimini arttırmada etkili bir yol olduğu kanıtlanmış olsa da, pahalı bir teklif olmaya devam etmektedir. Alternatif, bitki içerisinde doğal bir azot kaynağı sağlamaktır. Azot sabitleyici mikroorganizmaların tanıtılması bunu yapabilir.

Bu tür mikroorganizmalar, nitrojen sabitleme bakterileri Rhizobium varlığında atmosferik azotu sabitleyebilir. Azot sabitleme genlerinin (nif genleri) baklagillerden baklagil olmayan mahsullere dönüştürülmesi pahalı gübrelere uygun maliyetli bir alternatif sunabilir.

Bununla birlikte, bitkilerdeki azot verimini arttırmanın diğer yolları, simbiyotik bakterilerde fiksasyon işleminin etkinliğini artırarak, sentetik bakterilerde fiksasyon işleminin etkinliğini artırarak, azot fiksasyon bakterilerini eksojen mevcudiyetinde korumak için nitrojen fiksajlı bakterileri modifiye ederek elde edilebilir azot.

Sitoplazmik Erkek Sterilitesi :

Sitoplazmik Erkek Sterilite (CMS) mekanizmasını açıklayan çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bu özellik, sorgum, mısır ve şeker pancarı gibi olgun bitki türlerinde fonksiyonel olmayan polenin üretilmesiyle sonuçlanır ve bu nedenle değerli, yüksek verimli hibrit tohumların üretilmesini kolaylaştırır.

Bu bitki türlerinde sitoplazmik erkek kısırlığı temel olarak mitokondriyal DNA'nın yeniden düzenlenmesi ve yeni polipeptitlerin sentezi ile ilişkilidir. Hızla gelişen biyoteknolojik araçlar sonuçta CMS özelliklerinin erkek fertil hatlarına transferini sağlayabilir. Genetiği değiştirilmiş erkek kısırlığı, tarımda hibrit oluşumu için de büyük bir potansiyele sahiptir.

Bitki Geliştirme :

Bir bitkinin gelişimi, fitokrom, kloroplast gen ekspresyonu, mitokondriyal gen ekspresyonu gibi hafif reseptörlerin erkek kısırlığı, depolama ürünü birikimi ve depolama organı (meyveler) gelişimi ile ilişkili rolünü içeren karmaşık bir işlemdir.

Artık bitki gelişiminden sorumlu çeşitli genleri klonlamak ve sıralamak mümkündür. Bu, bu genlerin ekspresyonunu manipüle etme olasılığını ve daha sonra dahil oldukları süreci arttırdı. Örneğin, erken çiçek açan genlerin, geç olgunlaşan çeşitlerin özelliklerini değiştirdiği bildirilmiştir.

Spesifik promotör elementlerin izolasyonu ayrıca spesifik dokulardaki proteinleri eksprese eden mahsullerin tasarlanmasına yardımcı olmuştur. Renk oluşumundan sorumlu genler, renksiz çiçekler taşıyan bitkilere aktarılabilir. Dahası, çiçeklenme ve polen oluşumunu kontrol eden genlerin manipülasyonu, doğurganlığı değiştirilmiş transgenik bitkiler üretebilir. Arabidopsis'te yapraklı ve APETALAI geninin ekspresyonu, erken çiçeklenme ile sonuçlanmıştır.

Benzer şekilde, bitkilerde bulunan varsayılan hormon reseptörleri, farklı dokuların büyüme düzenleyicilere duyarlılığını ve daha sonraki farklılaşmalarını ve gelişimlerini etkiler. Spesifik büyüme düzenleyicileri için yabani tip veya modifiye edilmiş genlerin dahil edilmesinin, bitki gelişiminin manipüle edilmesinde etkili olduğu kanıtlanmıştır (olgunluk zamanının değiştirilmesi veya patates yumrularının sayısı ve büyüklüğü gibi). Bu yaklaşım, çiçeklenme tepkisini, meyve gelişimini ve depolama proteini genlerinin ekspresyonunu değiştirmek için uygulanabilir.

Bitkilerden Yararlı Proteinler :

Artık birçok bitki faydalı proteinler üretmek için kullanılıyor. Bu, Neutraceuticals'ı doğurdu - yiyecek için yazılmış bir kelime. Bu yiyecekler aynı zamanda fonksiyonel yiyecekler olarak da bilinir. Nötrasötikler, vitamin bakımından zenginleştirilmiş kahvaltı gevreklerinden, LDL kolesterolünü düşüren margarin yayılı bir ürün olan Benecol'e kadar tüm 'tasarımcı' yiyecekleri içerir. Önde gelen bir Amerikan şirketi olan Novartis Consumer Health, ABD'nin fonksiyonel gıdalar pazarını yaklaşık yüzde 10'luk bir yıllık büyüme oranı ile yaklaşık 10 milyar dolar olarak tahmin ediyor.

Bitkilerden Aşı Üretimi :

Bitkiler, hayvanların immünizasyonu için zengin bir antijen kaynağıdır. Transgenik bitkiler, antijenik proteinleri veya diğer molekülleri üretmek için geliştirilebilir. Antijenin bitkinin yenilebilir bir bölümünde üretimi, bitkinin yenilebilir bir bölümündeki antijen için kolay ve etkili bir dağıtım sistemi olduğunu kanıtlayabilir, antijen için kolay ve etkili bir dağıtım sistemi şekli olabilir.

Bu teknolojinin potansiyel uygulamaları, insan ve hayvanların hastalıklara ve hayvan zararlılarının kontrolüne karşı etkili bir şekilde immünizasyonunu içerecektir. Örneğin, Hepatit B virüsü için antijenler, tütün bitkilerinde başarıyla ifade edildi ve fareleri immünize etmek için kullanıldı. E.coli enterotoksin LT-B'nin P-sub birimini eksprese eden patateslerle beslenen fareler de antikorlar üretmiş, böylece bakteriyel toksine karşı koruma sağlamıştır.

Bu teknik, çeşitli insan hastalıklarına karşı ucuz bağışıklık kazanmanın yolunu açmayı vaat ediyor. Koleraya karşı oral aşılar bitkilerde zaten ifade edilmiştir. Antijenlerin bitkilerden üretilmesi sadece maliyet etkin değildir, aynı zamanda seri üretilebilir ve kolayca geri kazanılabilir.