Diversas Aplicações da Biotecnologia Vegetal

Aplicações de Biotecnologia Vegetal!

Engenharia genética de plantas oferece uma oportunidade para alterar suas propriedades ou desempenho, a fim de melhorar a sua utilidade. Essa tecnologia pode ser usada para modificar a expressão de genes já presentes nas plantas, ou para introduzir novos genes de outras espécies com as quais a planta não pode ser criada convencionalmente. Assim, confere maior eficiência ao cumprimento de propósitos convencionais de melhoramento.

Uma das aplicações significativas de tais técnicas está na adição de genes únicos aos tipos de plantas desejáveis. A transformação de plantas pode ser usada para introduzir características novas ou novas que criam um novo mercado ou deslocam produtos convencionais. A melhoria pode estar relacionada com o valor nutricional da planta ou com as propriedades funcionais no processamento ou mesmo consumo per se.

Acima de tudo, essa tecnologia amplia as possibilidades de transferência de genes entre organismos não relacionados e, assim, cria novas informações genéticas por alteração específica de genes clonados. Vamos discutir as implicações dessa tecnologia em mais detalhes.

Qualidade Alimentar:

Qualidade nutricional :

As culturas de sementes desempenham um papel importante na nutrição humana e animal. Apenas alguns cereais contribuem para quase cinquenta por cento do total de calorias alimentares. Da mesma forma, sete espécies de leguminosas de grãos respondem por uma grande parte de nossa ingestão de calorias.

No entanto, cereais e leguminosas contêm certas proteínas que são deficientes em aminoácidos como a lisina e a treonina. Legumes também são deficientes em aminoácidos sulfurados. Algumas outras culturas de sementes, como o arroz, oferecem um melhor equilíbrio de aminoácidos, mas caem em seus níveis totais de proteína.

A lógica comum é que cada um desses alimentos poderia ser catapultado para a perfeição se suas deficiências pudessem ser superadas através do empréstimo dessas características ausentes de outras culturas. Isso é exatamente o que a biotecnologia vegetal faz - a transferência de genes únicos ou múltiplos para plantas sem componentes importantes.

Recentemente, o professor Ingo Potrykus, do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (Zurique), e o Dr. Peter Beyer, da Universidade de Freiburg (Alemanha), desenvolveram o "Arroz Dourado", que possui maiores níveis de pró-vitamina A ou b-caroteno.

Espera-se que este arroz modificado forneça benefícios nutricionais àqueles que sofrem de doenças relacionadas à deficiência de vitamina A, incluindo a cegueira irreversível em centenas de milhares de crianças anualmente. O conteúdo adequado de vitamina A também pode reduzir a mortalidade associada a doenças infecciosas, como a diarréia e o sarampo infantil, aumentando a atividade do sistema imunológico humano.

Ferramentas genéticas podem ser usadas para alterar o conteúdo de carboidratos, gorduras, fibras e vitaminas dos alimentos. Outra aplicação útil é pegar genes de cereais ricos em proteínas e transferi-los para alimentos com baixo teor de proteína. De fato, um experimento similar foi realizado na Universidade Jawaharlal Nehru de Nova Delhi, onde os cientistas transferiram um gene do amaranto (Chaulai) para uma batata. A batata registrou um aumento não apenas em seu teor de proteína, mas também em seu tamanho.

Ferramentas transgênicas também estão sendo usadas para melhorar o valor nutricional das culturas, reduzindo seus fatores antinutricionais (como inibidores de protease e hemaglutininas em leguminosas). Os problemas associados à flatulência em certos alimentos também podem ser abordados manipulando-se o teor de fibras alimentares e oligossacarídeos.

Aplicações biotecnológicas são extremamente úteis no caso do trigo também. A qualidade do trigo é determinada pela presença de proteínas armazenadoras de sementes do grão. Assim, sua qualidade pode ser melhorada pela manipulação da presença dessas proteínas. Mais proteínas do glúten também podem ser adicionadas para dar maior elasticidade à massa. Além disso, o teor de amido do trigo pode ser alterado para se adaptar às propriedades de produtos como o macarrão.

Qualidade Funcional:

A transformação pode ser aplicada a frutas e vegetais para melhorar seu sabor e textura, manipulando seu processo de maturação. O desempenho dos produtos vegetais durante o processamento também pode ser melhorado pela engenharia genética. Por exemplo, o primeiro alimento geneticamente modificado, o tomate Flavr-Savr, foi geneticamente manipulado para retardar seu amadurecimento e tem uma vida útil mais longa (Fig-2).

Outra estratégia comum para controlar o amadurecimento é reduzir a produção do hormônio etileno de amadurecimento. O etileno é produzido a partir da S-adenosilmetionina pela conversão em ácido 1-amino-ciclopropano-1-Carboxílico (ACC) na presença de ACC Sintase, seguido pela geração de etileno por uma ACC oxidase ou enzima formadora de etileno.

O amadurecimento pode ser atrasado direcionando construções anti-sentido contra qualquer uma destas enzimas, ou removendo ACC com uma ACC desaminase. Os frutos podem então ser amadurecidos, conforme exigido pela exposição a uma fonte artificial de etileno.

Malte e Fabricação de Cerveja:

A produção de cerveja envolve a germinação da cevada sob condições controladas. A qualidade da cerveja depende, portanto, em grande parte, da composição do grão de cevada. Muitas qualidades destes grãos podem ser substancialmente melhoradas através da engenharia genética. Por exemplo, melhorar a estabilidade das enzimas de cevada (especialmente a altas temperaturas) pode aumentar a sua eficácia à temperatura utilizada durante o esmagamento. O sabor da cerveja também pode ser manipulado tratando geneticamente a cevada. Uma dessas técnicas é a redução dos níveis de lipo-oxigenase.

Carboidratos de armazenamento:

O aumento dos níveis de certas enzimas, como a ADP pirofosforilase, pode aumentar a síntese de amido dos produtos alimentícios. Isso pode melhorar o rendimento dos alimentos ricos em amido. A transformação também pode alterar as propriedades dos amidos das plantas. A proporção de amilase e amilopectina no amido e a qualidade também podem ser reguladas. Isso permitiria adaptar o amido às exigências de alimentos específicos ou produtos industriais.

Plantas transgênicas com níveis aumentados de frutanos (uma forma de glicose) já estão sendo produzidas usando uma levansucrase de bactérias. O teor de sacarose das plantas também pode ser manipulado para melhorar a qualidade das culturas de açúcar, como cana-de-açúcar e beterraba açucareira.

Resistência a doenças:

Resistência a insetos:

A engenharia genética provou ser um benefício para a produção de plantas resistentes a pragas. Esta tecnologia superou as deficiências do uso de pesticidas químicos. Ultimamente, a técnica de introdução de genes resistentes a doenças em espécies de plantas também ganhou uma tremenda popularidade.

Por exemplo, os inibidores de protease podem impedir a digestão de proteínas por insetos e, portanto, diminuem sua taxa de crescimento. A transferência de tais proteínas para as plantas atua como um mecanismo de proteção natural contra o ataque de insetos.

Certos genes bacterianos também se mostraram bastante eficazes na prevenção de danos causados ​​por pragas. Bacillus thuringiensis (Bt) produz Bt Toxin, que é eficaz contra larvas de insetos. Plantas transgênicas que abrigam genes Bt foram produzidas em cultivos como soja, milho e algodão, e provaram ser resistentes a ataques de pragas.

Muitos outros seroquímicos (substâncias químicas que alteram o comportamento dos insetos) são produzidos por certas espécies de insetos e plantas. Transferir estes para outras plantas pode ser muito eficaz na verificação da incidência da doença. Para dar outro exemplo, a cultura da batata suscetível não contém produtos químicos anti-alimentos como a farnase, um terpenóide e outros compostos relacionados.

Estes são produzidos por espécies de plantas resistentes a afídeos, como Solanum berthaultii (em pêlos foliares). Estes compostos atuam provocando uma resposta de ataque em pulgões, de modo que eles são incapazes de se estabelecer na cultura. A transferência desses genes para a cultura da batata pode protegê-lo da ameaça do afídeo.

Resistência Vírus:

A produção de plantas transgênicas com resistência a vírus é uma das aplicações mais bem sucedidas da transformação de plantas. Várias estratégias envolvendo a expressão do genoma viral na planta têm se mostrado eficazes. Por exemplo, a expressão do gene da proteína de revestimento do vírus tem sido amplamente bem sucedida. Tanto a express� sensorial como anti-sentido de partes do genoma viral pode ser protectora contra infec�o viral.

Resistência Nematóide:

Novos genes para resistência a nematóides oferecem uma abordagem alternativa para a produção de plantas resistentes a nematóides. A engenharia genética fornece uma oportunidade para desenvolver plantas transgênicas com resistência genética a essas pragas de plantas de longo prazo e, assim, reduzir a dependência de nematicidas químicos na agricultura.

Resistência a herbicidas :

A escolha de um herbicida é muito crítica, pois tem um alto risco de induzir resistência. As ervas daninhas podem desenvolver rapidamente resistência múltipla a herbicidas em alguns sistemas, quando várias classes de herbicidas atuam no mesmo alvo molecular. Aqui, novamente, os genes de resistência a herbicidas oferecem proteção pela desintoxicação do herbicida (convertendo-o em uma forma inativa).

Melhorando a eficiência fotossintética:

O processo de fotossíntese é o mecanismo mais significativo para adicionar energia às plantas. No entanto, mesmo as plantas mais eficientes podem utilizar apenas cerca de três a quatro por cento da luz solar total. A biotecnologia está sendo usada agora para melhorar o nível de eficiência fotossintética da RuBPCase (ribulose bis fosfato carboxilase, envolvida na fixação do dióxido de carbono).

Isso aumenta a eficiência da catálise e reduz a função competitiva da oxigenase (como o RuBP Case também se comporta como uma oxigenase). Podem também ser produzidas variantes úteis combinando os genes que codificam para subunidades grandes e pequenas das enzimas de espécies diferentes.

Duas maneiras diferentes de fazer isso são:

Tolerância ao estresse abiótico:

A produtividade da planta sofre grandes perdas devido a várias formas de estresse durante o curso de seu desenvolvimento. Esses fatores de estresse incluem temperatura, salinidade, seca, inundação, luz UV e várias infecções. Embora a base molecular de tais respostas ainda não esteja clara, sabemos que elas incluem síntese de novo de proteínas específicas (sob choque térmico) e enzimas (álcool desidrogenase sob anaerobiose e fenil alanina aminoliouse sob irradiação UV).

Os genes que respondem ao estresse abiótico foram clonados e seqüenciados em muitos laboratórios, incluindo os autores que identificaram e transformaram um gene que codifica a glioxalase 1 para conferir tolerância às plantas.

As seqüências regulatórias de alguns dos genes também foram identificadas. Por exemplo, a sequência promotora 5 'do álcool deshrogenase foi ligada ao gene repórter CAT (clorofenicolacetiltransferase) e transferida para protoplastos de tabaco em que a expressão sensível a O2 foi demonstrada.

Tais promotores ambientalmente indutíveis certamente se tornarão ferramentas úteis para estudar a expressão gênica, e este trabalho estabelecerá as bases para a transferência de genes responsivos ao estresse sob promotores regulados para espécies suscetíveis. Recentemente, plantas de tomate resistentes à salinidade foram desenvolvidas.

Os genes de vários organismos, como os recursos marinhos, também podem ser usados ​​para melhorar as plantas de várias maneiras. Este é um passo inovador para o desenvolvimento de espécies tolerantes ao sal, transferindo os genes das plantas marinhas (halófitas) para as culturas de grãos e vegetais.

Da mesma forma, um gene, que codifica uma proteína de um peixe linguado, foi transformado em plantas para protegê-las contra danos por congelamento. Esta proteína pode ser útil na prevenção de danos causados ​​pelo gelo no armazenamento pós-colheita. Assim, o congelamento pode ser usado para preservar a textura e o sabor de algumas frutas e vegetais, que atualmente não são adequados para o congelamento.

Desenvolvimento da Capacidade de Fixação de Nitrogênio em Culturas Não Leguminosas:

Embora a aplicação de fertilizantes nitrogenados tenha provado ser uma rota eficiente para melhorar o rendimento das culturas, ela continua sendo uma proposta cara. A alternativa é fornecer uma fonte natural de nitrogênio dentro da planta. A introdução de microorganismos fixadores de nitrogênio pode fazer isso.

Tais microrganismos são capazes de fixar nitrogênio atmosférico na presença de bactérias fixadoras de nitrogênio Rhizobium. A transformação dos genes de fixação de nitrogênio (genes nif) de leguminosas para culturas não leguminosas pode oferecer uma alternativa econômica aos caros fertilizantes.

Entretanto, outras formas de melhorar o rendimento de nitrogênio nas plantas podem ser alcançadas aumentando a eficiência do processo de fixação em bactérias simbióticas, aumentando a eficiência do processo de fixação nas bactérias sintéticas, modificando as bactérias fixadoras de nitrogênio para manter a fixação de nitrogênio na presença de bactérias exógenas. azoto.

Esterilidade Masculina Citoplasmática :

Muitas pesquisas foram feitas para explicar o mecanismo da Esterilidade Masculina Citoplasmática (CMS). Esta característica resulta na produção de pólen não funcional em espécies de plantas maduras como sorgo, milho e beterraba, e assim facilita a geração de sementes híbridas valiosas de alto rendimento.

A esterilidade masculina citoplasmática nestas espécies de plantas está basicamente associada à reorganização do ADN mitocondrial e à síntese de novos polipéptidos. As ferramentas biotecnológicas em rápido desenvolvimento podem eventualmente permitir a transferência da característica CMS para linhas férteis masculinas. A esterilidade masculina geneticamente modificada também possui um grande potencial para a geração de híbridos na agricultura.

Desenvolvimento de Planta :

O desenvolvimento de uma planta é um processo complexo, que envolve o papel de receptores de luz como fitocromo, expressão gênica de cloroplasto, expressão gênica mitocondrial em relação à esterilidade masculina, acúmulo de produto de armazenamento e desenvolvimento de órgãos de armazenamento (frutas).

Agora é possível clonar e sequenciar vários genes responsáveis ​​pelo desenvolvimento da planta. Isso aumentou a possibilidade de manipular a expressão desses genes e, subsequentemente, o processo no qual eles estão envolvidos. Por exemplo, foi relatado que genes precoces de florescimento alteram as propriedades das variedades de maturação tardia.

O isolamento de elementos promotores específicos também ajudou a projetar culturas que expressam proteínas em tecidos específicos. Genes responsáveis ​​pela formação de cor podem ser transferidos para plantas com flores incolores. Além disso, a manipulação de genes que controlam a floração e a formação de pólen pode gerar plantas transgênicas com fertilidade alterada. A expressão do gene frondoso e do gene APETALAI na Arabidopsis resultou em florescimento precoce.

Da mesma forma, os supostos receptores de hormônios nas plantas influenciam a sensibilidade de diferentes tecidos aos reguladores de crescimento e sua subsequente diferenciação e desenvolvimento. A introdução de genes de tipo selvagem ou modificados para reguladores de crescimento específicos provou ser eficaz na manipulação do desenvolvimento de plantas (como a alteração do tempo de maturação ou o número e tamanho dos tubérculos de batata). Esta abordagem pode ser aplicada para modificar a resposta de florescimento, desenvolvimento de frutos e expressão de genes de proteínas de armazenamento.

Proteínas Úteis das Plantas :

Muitas plantas estão sendo usadas para produzir proteínas úteis. Isto deu origem a Neutraceuticals - uma palavra cunhada para comida feita. Esses alimentos também são conhecidos como alimentos funcionais. Os neutracêuticos incluem todos os alimentos de "designer" dos cereais matinais enriquecidos com vitamina a Benecol, uma propagação de margarina que na verdade reduz o colesterol LDL. Uma importante empresa americana, a Novartis Consumer Health, estima que o mercado norte-americano de alimentos funcionais esteja em torno de dez bilhões de dólares, com uma taxa de crescimento anual esperada de dez por cento.

Produção de Vacinas de Plantas :

As plantas são uma rica fonte de antígenos para a imunização de animais. Plantas transgênicas podem ser desenvolvidas para produzir proteínas antigênicas ou outras moléculas. A produção do antígeno em uma parte comestível da planta pode ser um sistema de entrega fácil e eficaz para o antígeno em uma parte comestível da planta e pode ser um sistema de entrega fácil e eficaz para o antígeno.

Potenciais aplicações desta tecnologia incluiriam imunização eficiente de humanos e animais contra doenças e controle de pragas animais. Por exemplo, antigénios para o vírus da Hepatite B foram expressos com sucesso em plantas de tabaco e utilizados para imunizar ratinhos. Camundongos alimentados com batatas que expressam a unidade P-sub da enterotoxina LT-B da E. coli também produziram anticorpos, protegendo assim contra a toxina bacteriana.

Esta técnica promete abrir caminho para uma imunização barata contra várias doenças humanas. As vacinas orais contra a cólera já foram expressas em plantas. A geração de antígenos através das plantas não é apenas econômica, mas também pode ser produzida em massa e facilmente recuperada.