Diversas aplicaciones de la biotecnología vegetal.
Aplicaciones de la biotecnología vegetal.
La ingeniería genética de las plantas brinda la oportunidad de alterar sus propiedades o rendimiento para mejorar su utilidad. Dicha tecnología se puede usar para modificar la expresión de los genes ya presentes en las plantas, o para introducir nuevos genes de otras especies con las que la planta no se puede criar convencionalmente. Por lo tanto, le da mayor eficiencia al cumplimiento de los propósitos de reproducción convencionales.
Una de las aplicaciones significativas de tales técnicas radica en agregar genes individuales a tipos de plantas deseables. La transformación de plantas se puede utilizar para introducir características nuevas o novedosas que crean un nuevo mercado o desplazan a los productos convencionales. La mejora puede estar relacionada con el valor nutricional de la planta o las propiedades funcionales en el procesamiento o incluso el consumo per se.
Por encima de todo, esta tecnología amplía las posibilidades de transferir genes entre organismos no relacionados y, por lo tanto, crea una nueva información genética mediante la alteración específica de los genes clonados. Vamos a discutir las implicaciones de esta tecnología con más detalle.
Calidad de la comida:
Calidad nutricional :
Los cultivos de semillas juegan un papel importante en la nutrición humana y animal. Solo unos pocos cereales contribuyen a casi el cincuenta por ciento de las calorías totales de los alimentos. Del mismo modo, siete especies de leguminosas de grano representan una gran parte de nuestra ingesta de calorías.
Sin embargo, los cereales y las legumbres contienen ciertas proteínas que son deficientes en aminoácidos como la lisina y la treonina. Las legumbres también son deficientes en aminoácidos azufrados. Algunos otros cultivos de semillas como el arroz ofrecen un mejor equilibrio de aminoácidos, pero se reducen en sus niveles generales de proteínas.
La lógica común sigue que cada uno de estos alimentos podría ser catapultado a la perfección si sus deficiencias pudieran superarse tomando prestados esos rasgos faltantes de otros cultivos. Eso es exactamente lo que hace la biotecnología vegetal: la transferencia de genes únicos o múltiples a plantas que carecen de componentes importantes.
Recientemente, el profesor Ingo Potrykus del Instituto Federal de Tecnología de Suiza (Zurich) y el Dr. Peter Beyer de la Universidad de Friburgo (Alemania) desarrollaron el "Arroz Dorado", que tiene mayores niveles de pro-vitamina A o b-caroteno.
Se espera que este arroz modificado proporcione beneficios nutricionales a quienes padecen enfermedades relacionadas con la deficiencia de vitamina A, incluida la ceguera irreversible en cientos de miles de niños por año. Un contenido adecuado de vitamina A también puede reducir la mortalidad asociada con enfermedades infecciosas como la diarrea y el sarampión infantil al mejorar la actividad del sistema inmunitario humano.
Las herramientas genéticas se pueden utilizar para alterar el contenido de carbohidratos, grasas, fibras y vitaminas de los alimentos. Otra aplicación útil es la de recoger genes de cereales ricos en proteínas y transferirlos a alimentos bajos en proteínas. De hecho, se llevó a cabo un experimento similar en la Universidad Jawaharlal Nehru de Nueva Delhi, donde los científicos transfirieron un gen de amaranto (Chaulai) a una papa. La papa registró un aumento no solo en su contenido de proteínas, sino también en su tamaño.
Las herramientas transgénicas también se utilizan para mejorar el valor nutricional de los cultivos al reducir sus factores antinutricionales (como los inhibidores de la proteasa y las hemaglutininas en las leguminosas). Los problemas asociados con la flatulencia en ciertos alimentos también pueden abordarse mediante la manipulación del contenido de fibra dietética y oligosacáridos.
Las aplicaciones biotecnológicas son extremadamente útiles también en el caso del trigo. La calidad del trigo está determinada por la presencia de proteínas de almacenamiento de semillas del grano. Por lo tanto, su calidad puede mejorarse manipulando la presencia de estas proteínas. También se pueden agregar más proteínas de gluten para dar mayor elasticidad a la masa. Además, el contenido de almidón del trigo puede modificarse para adaptarse a las propiedades de productos como los fideos.
Calidad funcional:
La transformación se puede aplicar a frutas y verduras para mejorar su sabor y textura mediante la manipulación de su proceso de maduración. El rendimiento de los productos vegetales durante su procesamiento también puede mejorarse con la ingeniería genética. Por ejemplo, el primer alimento de ingeniería genética, el tomate Flavr-Savr, fue manipulado genéticamente para retardar su maduración, y tiene una vida útil más larga (Fig. 2).
Otra estrategia común para controlar la maduración es frenar la producción de la hormona de etileno de maduración. El etileno se produce a partir de S-adenosilmetionina por conversión a ácido 1-amino-ciclopropano-1-carboxílico (ACC) en presencia de ACC sintasa, seguido de la generación de etileno por una oxidasa ACC o enzima formadora de etileno.
La maduración puede retrasarse dirigiendo construcciones antisentido contra cualquiera de estas enzimas, o eliminando el ACC con una desaminasa ACC. Luego, las frutas pueden madurarse según lo requiera la exposición a una fuente artificial de etileno.
Malteado y elaboración de cerveza:
La producción de cerveza implica la germinación de la cebada en condiciones controladas. La calidad de la cerveza depende en gran medida de la composición del grano de cebada. Muchas cualidades de estos granos pueden mejorarse sustancialmente a través de la ingeniería genética. Por ejemplo, mejorar la estabilidad de las enzimas de cebada (especialmente a altas temperaturas) puede mejorar su efectividad a la temperatura utilizada durante el macerado. El sabor de la cerveza también se puede manipular mediante el tratamiento genético de la cebada. Una de estas técnicas es la de reducir los niveles de lipooxigenasa.
Almacenamiento de carbohidratos:
El aumento de los niveles de ciertas enzimas como la pirofosforilasa ADP puede mejorar la síntesis de almidón de los productos alimenticios. Esto puede mejorar los rendimientos de los alimentos con almidón. La transformación también puede alterar las propiedades de los almidones vegetales. La proporción de amilasa y amilopectina en el almidón y la calidad también puede ser regulada. Esto permitiría que la confección del almidón cumpla con los requisitos para alimentos específicos o productos industriales.
Las plantas transgénicas con niveles elevados de fructanos (una forma de glucosa) ya se están produciendo usando una levansucrasa de las bacterias. El contenido de sacarosa de las plantas también se puede manipular para mejorar la calidad de los cultivos de azúcar como la caña de azúcar y la remolacha azucarera.
Resistencia a las enfermedades:
Resistencia a los insectos:
La ingeniería genética ha demostrado ser una bendición para producir plantas resistentes a las plagas. Esta tecnología ha superado las deficiencias del uso de pesticidas químicos. En los últimos tiempos, la técnica de introducción de genes resistentes a enfermedades en especies de plantas también ha ganado una gran popularidad.
Por ejemplo, los inhibidores de la proteasa pueden prevenir la digestión de proteínas por parte de los insectos y, por lo tanto, reducir su tasa de crecimiento. La transferencia de tales proteínas a las plantas actúa como un mecanismo de protección natural contra el ataque de insectos.
Ciertos genes bacterianos también han demostrado ser bastante eficaces para prevenir el daño de plagas. Bacillus thuringiensis (Bt) produce toxina Bt, que es eficaz contra las larvas de insectos. Las plantas transgénicas que albergan genes Bt se han producido en cultivos como la soja, el maíz y el algodón, y han demostrado ser resistentes a los ataques de plagas.
Muchas otras especies de insectos y productos químicos (sustancias químicas que alteran el comportamiento de los insectos) son producidas por ciertas especies de insectos y plantas. La transferencia de estos a otras plantas puede ser muy efectiva para controlar la incidencia de la enfermedad. Para tomar otro ejemplo, el cultivo de papa susceptible no contiene productos químicos anti alimentadores como la farasa, un terpenoide y otros compuestos relacionados.
Estos son producidos por especies de plantas resistentes a los pulgones como Solanum berthaultii (en pelos de las hojas). Estos compuestos actúan provocando una respuesta de ataque en los áfidos, de modo que no pueden establecerse en el cultivo. La transferencia de estos genes al cultivo de papa puede protegerlo de la amenaza del áfido.
Resistencia al virus:
La producción de plantas transgénicas con resistencia a virus es una de las aplicaciones más exitosas de transformación de plantas. Varias estrategias que involucran la expresión del genoma viral en la planta han demostrado ser efectivas. Por ejemplo, la expresión del gen de la proteína de la cubierta del virus ha sido ampliamente exitosa. La expresión tanto antisentido como antisentido de partes del genoma viral puede ser protectora contra la infección viral.
Resistencia al nematodo:
Los nuevos genes para la resistencia a los nematodos ofrecen un enfoque alternativo para la producción de plantas resistentes a los nematodos. La ingeniería genética brinda la oportunidad de desarrollar plantas transgénicas con resistencia genética a estas plagas de plantas a largo plazo, y así reducir la dependencia de nematicidas químicos en la agricultura.
Resistencia al herbicida :
La elección de un herbicida es muy crítica ya que conlleva un alto riesgo de inducir resistencia. Las malezas pueden desarrollar rápidamente resistencia a múltiples herbicidas en algunos sistemas cuando varias clases de herbicidas actúan sobre la misma diana molecular. Aquí nuevamente, los genes de resistencia a los herbicidas ofrecen protección al desintoxicar el herbicida (convirtiéndolo en una forma inactiva).
Mejora de la eficiencia fotosintética:
El proceso de fotosíntesis es el mecanismo más importante para agregar energía a las plantas. Sin embargo, incluso las plantas más eficientes pueden utilizar solo entre el tres y el cuatro por ciento de la luz solar total. La biotecnología se está utilizando ahora para mejorar el nivel de eficiencia fotosintética de RuBPCasa (ribulosa bifosfato carboxilasa, involucrada en la fijación de dióxido de carbono).
Esto mejora la eficiencia de la catálisis y reduce la función competitiva de la oxigenasa (ya que RuBP Case también se comporta como una oxigenasa). También pueden producirse variantes útiles combinando los genes que codifican subunidades grandes y pequeñas de las enzimas de diferentes especies.
Dos formas diferentes de hacer esto son:
Tolerancia al estrés abiótico:
La productividad de la planta sufre grandes pérdidas debido a diversas formas de estrés durante el curso de su desarrollo. Estos factores de estrés incluyen temperatura, salinidad, sequía, inundaciones, luz UV y diversas infecciones. Si bien las bases moleculares de tales respuestas aún no están claras, sabemos que incluyen la síntesis de novo de proteínas específicas (bajo choque térmico) y enzimas (alcohol deshidrogenasa bajo anaerobiosis y fenilalanina amino liasa bajo irradiación UV).
Los genes que responden al estrés abiótico han sido clonados y secuenciados en muchos laboratorios, incluido el de los autores que identificaron y transformaron un gen que codifica la glioxalase 1 para conferir tolerancia a las plantas.
Las secuencias reguladoras de algunos de los genes también han sido identificadas. Por ejemplo, la secuencia promotora 5 'de la alcohol deshidrogenasa se ha relacionado con el gen informador CAT (Chloremphenicol Acetyl Transferase) y se transfirió a protoplastos de tabaco en los que se ha demostrado la expresión sensible a O 2 .
Dichos promotores inducibles por el medio ambiente ciertamente se convertirán en herramientas útiles para estudiar la expresión génica, y este trabajo sentará las bases para la transferencia de genes sensibles al estrés bajo promotores regulados a especies susceptibles. Recientemente se han desarrollado plantas de tomate que son resistentes a la salinidad.
Los genes de organismos variados como los recursos marinos también se pueden utilizar para mejorar las plantas de varias maneras. Este es un paso innovador hacia el desarrollo de especies tolerantes a la sal, al transferir los genes de las plantas marinas (halófitas) a los cultivos de cereales y hortalizas.
De manera similar, un gen, que codifica una proteína de un pez plateado, se ha transformado en plantas para protegerlas contra el daño por congelación. Esta proteína podría ser útil para prevenir el daño por heladas en el almacenamiento posterior a la cosecha. Por lo tanto, la congelación podría usarse para preservar la textura y el sabor de algunas frutas y verduras, que actualmente no son adecuadas para la congelación.
Desarrollo de la capacidad de fijación de nitrógeno en cultivos no leguminosos:
Si bien la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha demostrado ser una ruta eficiente para mejorar los rendimientos de los cultivos, sigue siendo una propuesta costosa. La alternativa es proporcionar una fuente natural de nitrógeno dentro de la planta. La introducción de microorganismos fijadores de nitrógeno puede hacer esto.
Tales microorganismos son capaces de fijar nitrógeno atmosférico en presencia de la bacteria fijadora de nitrógeno Rhizobium. Transformar los genes fijadores de nitrógeno (genes nif) de leguminosas a cultivos no leguminosos puede ofrecer una alternativa rentable a los fertilizantes costosos.
Sin embargo, otras formas de mejorar el rendimiento de nitrógeno en las plantas se pueden lograr aumentando la eficiencia del proceso de fijación en bacterias simbióticas, aumentando la eficiencia del proceso de fijación en las bacterias sintéticas, modificando las bacterias fijadoras de nitrógeno para mantener la fijación de nitrógeno en presencia de bacterias exógenas. nitrógeno.
Esterilidad masculina citoplasmática :
Se han realizado muchas investigaciones para explicar el mecanismo de la esterilidad masculina citoplásmica (CMS). Este rasgo da como resultado la producción de polen no funcional en especies de plantas maduras como el sorgo, el maíz y la remolacha azucarera, y por lo tanto facilita la generación de valiosas semillas híbridas de alto rendimiento.
La esterilidad masculina citoplásmica en estas especies de plantas se asocia básicamente con la reorganización del ADN mitocondrial y la síntesis de nuevos polipéptidos. Las herramientas biotecnológicas de rápido desarrollo pueden eventualmente permitir la transferencia del rasgo de la CMS a líneas fértiles masculinas. La esterilidad masculina diseñada genéticamente también tiene un gran potencial para la generación de híbridos en la agricultura.
Desarrollo de la planta :
El desarrollo de una planta es un proceso complejo, que involucra el papel de los receptores de luz como el fitocromo, la expresión de genes de cloroplastos, la expresión de genes mitocondriales en relación con la esterilidad masculina, la acumulación de productos de almacenamiento y el desarrollo de órganos (frutos) de almacenamiento.
Ahora es posible clonar y secuenciar varios genes responsables del desarrollo de la planta. Esto ha aumentado la posibilidad de manipular la expresión de estos genes y, posteriormente, el proceso en el que están involucrados. Por ejemplo, se ha informado que los genes de floración temprana alteran las propiedades de las variedades de maduración tardía.
El aislamiento de elementos promotores específicos también ha ayudado a diseñar cultivos que expresan proteínas en tejidos específicos. Los genes responsables de la formación de color pueden transferirse a plantas que tienen flores incoloras. Además, la manipulación de los genes que controlan la floración y la formación de polen puede generar plantas transgénicas con fertilidad alterada. La expresión del gen de hoja y APETALAI en Arabidopsis ha dado como resultado una floración precoz.
De manera similar, los receptores de hormonas putativos en las plantas influyen en la sensibilidad de diferentes tejidos a los reguladores del crecimiento, y su posterior diferenciación y desarrollo. La introducción de genes de tipo salvaje o modificados para reguladores de crecimiento específicos ha demostrado ser efectiva en la manipulación del desarrollo de la planta (como cambiar el tiempo de madurez o el número y tamaño de los tubérculos de papa). Este enfoque puede aplicarse para modificar la respuesta de la floración, el desarrollo del fruto y la expresión de genes de proteínas de almacenamiento.
Proteínas útiles de las plantas :
Muchas plantas se están utilizando ahora para producir proteínas útiles. Esto ha dado a luz a Neutraceuticals, una palabra acuñada para alimentos elaborados. Estos alimentos también son conocidos como alimentos funcionales. Los productos farmacéuticos incluyen todos los alimentos "de diseño" que van desde los cereales de desayuno enriquecidos con vitaminas hasta Benecol, una extensión de margarina que en realidad reduce el colesterol LDL. Una importante empresa estadounidense, Novartis Consumer Health, estima que el mercado de alimentos funcionales en los EE. UU. Ronda los diez mil millones de dólares, con una tasa de crecimiento anual esperada del diez por ciento.
Producción de vacunas a partir de plantas :
Las plantas son una rica fuente de antígenos para la inmunización de los animales. Las plantas transgénicas pueden desarrollarse para producir proteínas antigénicas u otras moléculas. La producción del antígeno en una parte comestible de la planta podría llegar a ser un modo fácil y eficaz de administrar el antígeno en una parte comestible de la planta podría ser un modo fácil y eficaz de administrar el antígeno.
Las aplicaciones potenciales de esta tecnología incluirían la inmunización eficiente de humanos y animales contra enfermedades y el control de plagas de animales. Por ejemplo, los antígenos para el virus de la hepatitis B se han expresado con éxito en plantas de tabaco y se han usado para inmunizar ratones. Los ratones alimentados con papas que expresan la unidad P-sub de enterotoxina LT-B de E. coli también han producido anticuerpos, protegiendo así contra la toxina bacteriana.
Esta técnica promete allanar el camino para una inmunización económica contra varias enfermedades humanas. Las vacunas orales contra el cólera ya se han expresado en plantas. La generación de antígenos a través de las plantas no solo es rentable, sino que también puede producirse en masa y recuperarse fácilmente.
