ΓΕΝΕΤΙΚΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΦΥΤΑ (ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΖΙΖΑΝΙΟΚΤΟΝΑ)

ΓΕΝΕΤΙΚΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΦΥΤΑ (ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΖΙΖΑΝΙΟΚΤΟΝΑ) 1

1 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Αντοχή σε ζιζανιοκτόνα Αντοχή σε έντομα Αντοχή σε ιούς Αντοχή σε βακτήρια και μύκητες Αντοχή σε περιβαλλοντικές καταπονήσεις Φυτά βιοαντιδραστήρες Φυτά που παράγουν εδώδιμα εμβόλια 2

2 Ορισμένα από τα εκλεκτικά ζιζανιοκτόνα έχουν μεγάλη υπολειμματικότητα, είναι τοξικά για τα ζώα. ανάγκη για χρήση ήπιων ζιζανιοκτόνων, τα οποία όμως πολλές φορές δεν έχουν εκλεκτικότητα ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΗΠΙΑ ΖΙΖΑΝΙΟΚΤΟΝΑ (glyphosate, Θειουρίες (sulphonylureas), atrazine, L-φωσφινοθρισίνη) 3

3 Απαραίτητες προϋποθέσεις: 1. Η γνώση του τρόπου δράσης των ζιζανιοκτόνων 2. Η ταυτοποίηση οργανισμών ανθεκτικών σε ζιζανιοκτόνα 3. Τα γονιδιακά προϊόντα αντοχής να έχουν μοναδιαία κληρονομικότητα (ελέγχονται από μια και μόνο γονιδιακή θέση) 4

4 Τρόποι δράσης των ζιζανιοκτόνων: ένζυμο του φυτού χημική ένωση 5

5 Τρόποι δράσης των ζιζανιοκτόνων: απενεργοποίηση του ενζύμου 6

6 Στρατηγικές δημιουργίας αντοχής: 1. Εισαγωγή γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα αποικοδόμησης/απενεργοποίησης της χημικής ένωσης 2. Τροποποίηση του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο 3. Υπερπαραγωγή του κρίσιμου ενζύμου (ενσωμάτωση πολλών αντιγράφων του γονιδίου) 4. Δημιουργία φυτών που αναστέλλουν την εισαγωγή της χημικής ένωσης στο κύτταρο 7

7 1. Εισαγωγή γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα αποικοδόμησης/απενεργοποίησης της χημικής ένωσης Τα γονίδια απομονώνονται από βακτήρια, μύκητες ή άλλα φυτά Απαραίτητες προϋποθέσεις: 1. Να επιδεικνύουν απόλυτη εξειδίκευση για το ζιζανιοκτόνο 2. Να μη απαιτούν πολύπλοκα συνένζυμα 3. Να ασκούν ελάχιστη έως καθόλου τοξικότητα 8

8 1. Εισαγωγή γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα αποικοδόμησης/απενεργοποίησης της χημικής ένωσης 9

9 1α. Ένζυμα βακτηριακής προέλευσης Pseudomonas sp. Flurobacterium sp. Χρησιμοποιούν το glyphosate ως πηγή Ρ Pseudomonas sp. Arthrobacter sp. Alcaligenes sp. Acinetobacter sp. Μεταβολίζουν το 2-4 D Bacillus sphaericus Anacystis nidulans Αποικοδομούν ουρία και φαινυλοκαρβαμιδικό 10

10 1α. Ένζυμα βακτηριακής προέλευσης γονίδιο bxn (Klebsiella ozaenae): Διαγονιδιακά φυτά καπνού, τομάτας, βαμβακιού με το γονίδιο bxn που ήταν 10 φορές ανθεκτικότερα στο ζιζανιοκτόνο bromoxynil Εικ. 10.1 11

11 1α. Ένζυμα βακτηριακής προέλευσης γονίδιο bar (Streptomyces hydroscopicus) Διαγονιδιακά φυτά καπνού, τομάτας, πατάτας με ανθεκτικότητα στα ζιζανιοκτόνα ΡΡΤ και bialaphos Εικ. 10.2 12

12 2. Τροποποίηση του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο 13

13 2. Τροποποίηση του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο 14

14 2. Τροποποίηση του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο 15

15 2. Τροποποίηση του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο 16

16 3. Υπερπαραγωγή του κρίσιμου ενζύμου (ενσωμάτωση πολλών αντιγράφων του γονιδίου) 17

17 Glyphosate (Ν-φωσφονομεθυλογλυκίνη) Αναστέλει τη βιοσύνθεση αρωματικών αμινοξέων λόγω απενεργοποίησης του ενζύμου EPSPS Με μεταλλάξεις στο γονίδιο aroa που κωδικοποιεί το ένζυμο EPSPS στο βακτήριο Salmonella typhimurium, υπήρξε αντοχή λόγω τροποποίησης αλλά και υπερπαραγωγής του ενζύμου Διαγονιδιακά φυτά τομάτας και πατάτας με μεταλλαγμένες μορφές του aroa ήταν 3 φορές ανθεκτικότερα στο ζιζανιοκτόνο* 2η προσέγγιση 18

18 Glyphosate (Ν-φωσφονομεθυλογλυκίνη) Σύντηξη ενός γονιδίου πετούνιας με το γονίδιο aroa από το Echericia coli είχε σαν αποτέλεσμα τα διαγονιδιακά φυτά καπνού με αυξημένη παραγωγή του EPSPS και μεγαλύτερη αντοχή στο ζιζανιοκτόνο Σύντηξη του γονιδίου της διφωσφορικής ριβουλόζης (rubisco) με το aroa του Salmonella επίσης έδωσε διαγονιδιακά φυτά με αυξημένη αντοχή στο ζιζανιοκτόνο Περιβαλλοντικοί κίνδυνοι: Παρατηρήθηκε «διαρροή» του μεταλλαγμένου γονιδίου από τα διαγονιδιακά φυτά σε συγγενικά ζιζάνια ηλίανθος (35%) φράουλες (50%) ελαιοκράμβη Οκίνδυνος περιορίζεται αν ο μετασχηματισμός γίνεται σε DNA του χλωροπλάστη 19

19 Παράγοντες εμπορευματοποίησης διαγονιδιακών φυτών 1. Αποδοτικότητα, κόστος και «περιβαλλοντική» αποδοχή ζιζανιοκτόνου 2. Πιθανά αρνητικά αγρονομικά χαρακτηριστικά που συνδέονται με την αντοχή 3. Ο κίνδυνος ανάπτυξης αντοχής από ζιζάνια λόγω μεταλλάξεων ή φυσικής επιλογής από υπερβολική χρήση του ζιζανιοκτόνου 4. Η «διαρροή» των τροποποιημένων γονιδίων σε συγγενή φυτά 5. Να λύνουν ανεξέλεγκτο πρόβλημα ζιζανίων χωρίς να υποβαθμίζουν τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά του φυτού 6. Να μη παρατηρείται συγκέντρωση του ζιζανιοκτόνου στα εδώδιμα τμήματα του φυτού 7. Το πρόβλημα παρουσίας «εθελοντικών» ζιζανίων (διαγονιδιακά φυτά) σε συστήματα αμειψισποράς 20

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Ποιες είναι οι εφαρμογές της Γενετικής τροποποίησης φυτών; Από πού απορρέει η ανάγκη για τη δημιουργία διαγονιδιακών φυτών ανθεκτικών σε ζιζανιοκτόνα και ποιες είναι οι απαραίτητες προϋποθέσεις για τη δημιουργία τους Ποιεςείναιοιστρατηγικέςγιατηδημιουργία διαγονιδιακών φυτών με αντοχή σταζιζανιοκτόνα; Για τη δημιουργία διαγονιδιακών φυτών με αντοχή στα ζιζανιοκτόνα από τι είδη οργανισμών εισάγονται γονίδια και με ποιες προϋποθέσεις; Να δοθούν τρία παραδείγματα ενζύμων βακτηριακής προέλευσης που αποικοδομούν χημικές ουσίες και μπορούν να αξιοποιηθούν για τη για τη δημιουργία διαγονιδιακών φυτών μεαντοχήστα ζιζανιοκτόνα Να αναπτυχθούν επιγραμματικά οι στρατηγικές για τη δημιουργία διαγονιδιακών φυτών με αντοχή στα ζιζανιοκτόνα α) τροποποίηση β) υπερπαραγωγή του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο Ποιοςείναιοτρόποςδράσηςτουζιζανιοκτόνουglyphosate, και πως μπορεί να αναπτυχθεί αντοχή στο ζιζανιοκτόνο; Ποιοι είναι οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι από διαγονιδιακά φυτά ανθεκτικά στο glyphosate και πώς μπορεί να περιοριστούν; Ποιοι παράγοντες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την εμπορευματοποίηση διαγονιδιακών φυτών ανθεκτικών σε ζιζανιοκτόνα; 21

ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΖΙΖΑΝΙΟΚΤΟΝΑ 3 Ορισμένα από τα εκλεκτικά ζιζανιοκτόνα έχουν μεγάλη υπολειμματικότητα και είναι τοξικά για τα ζώα. Αυτό καθιστά αναγκαία τη χρήση ήπιων ζιζανιοκτόνων, τα οποία όμως πολλές φορές δεν έχουν εκλεκτικότητα οπότε δεν μπορούν να εφαρμοστούν στις καλλιέργειες. Η Γενετική Μηχανική ευελπιστεί στη δημιουργία γενετικά τροποποιημένων φυτών με αντοχή σε ήπια ζιζανιοκτόνα (glyphosate, Θειουρίες (sulphonylureas), atrazine, L-φωσφινοθρισίνη) ως λύση στο πρόβλημα. 5. Τα ζιζανιοκτόνα συνήθως με τη δραστική (χημική) τους ουσία μπλοκάρουν ένα κρίσιμο ένζυμο του φυτού με συνέπεια να αναστέλλουν την αντίστοιχη βιοχημική διεργασία στα φυτικά κύτταρα. 6 Η απενεργοποίηση του ενζύμου επιτυγχάνεται καθώς η δραστική ουσία μπλοκάρει το ένζυμο, κατά αντιστοιχία με τη σχέση «κλειδί-κλειδαριά» 11 Στο σιτάρι εφαρμόζεται το Βρωμοξυνίλιο που είναι ζιζανιοκτόνο για καταπολέμηση πλατύφυλλων ζιζανίων. Τα φυτά του σιταριού δεν επηρεάζονται καθώς το φυτό έχει μηχανισμό με τον οποίο η δραστική ουσία μεταβολίζεται σε 3,5-διβρωμο-4- υδροξυβενζαμίδιο και στη συνέχεια σε 3,5-διβρωμο-4-υδροξυβενζοϊκό οξύ. Οι 2 αυτές μορφές είναι ανενεργές. Σε φυτά που δεν έχουν το μηχανισμό μπορεί να μεταφερθεί το γονίδιο bxn του βακτηρίου Klebsiella ozaenae. Το βακτήριο χάρις στο γονίδιο bxn παράγει το ένζυμο νιτριλάση με το οποίο αξιοποιεί το άζωτο της αρχικής μορφής του ζιζανιοκτόνου μετατρέποντάς το σε 3,5-διβρωμο-4-υδροξυβενζοϊκό οξύ. 12 To γονίδιο bar από το βακτήριο Streptomyces hydroscopicus παράγει το ένζυμο ακετυλο-τρανσφεράση της φωσφινοθρισίνης που παρουσία του συνενζύμου ακετυλο- CoA μετατρέπει τη χημική ουσία φωσφινοθρισίνη στη λιγότερο τοξική μορφή της ακετυλιωμένης φωσφινοθρισίνης. 13 Με την τροποποίηση του γονιδίου που κωδικοποιεί το κρίσιμο ένζυμο, τροποποιείται κατ επέκταση και το ένζυμο οπότε η δραστική ουσία δεν το αναγνωρίζει για να το μπλοκάρει. Η τροποποίηση του ενζύμου γίνεται με τρόπο ώστε να μη υφίσταται η σχέση «κλειδί-κλειδαριά», χωρίς όμως το ένζυμο να χάσει τη λειτουργική του ικανότητα αναφορικά με τη βιοχημική αντίδραση που καταλύει. 15-16 Η τροποποίηση του γονιδίου τροποποιεί την δομή του κρίσιμου ενζύμου ώστε η δραστική ουσία να μη ταιριάζει κατά το «κλειδί-κλειδαριά» με το ένζυμο και να μη μπορεί να το μπλοκάρει.

17 Με την εισαγωγή πολλών αντιγράφων του γονιδίου στο φυτό προκαλείται υπερπαραγωγή του κρίσιμου ενζύμου, οπότε τα μόρια της δραστικής ουσίας μπλοκάρουν ένα αριθμό μορίων του ενζύμου αλλά άλλα μόρια ενζύμου μένουν ελεύθερα και καταλύουν τη βιοχημική αντίδραση 18 Το ζιζανιοκτόνο Glyphosate θεωρείται φιλικό στο περιβάλλον γιατι αποικοδομείται γρήγορα στο έδαφος, γιαυτό επιχειρήθηκε γενετική τροποποίηση με αντοχή σε φυτά. Ο μηχανισμός δράσης του ζιζανιοκτόνου είναι η αναστολή της βιοσύνθεσης αρωματικών αμινοξέων λόγω απενεργοποίησης του ενζύμου EPSPS. Με μεταλλάξεις στο γονίδιο aroa που κωδικοποιεί το ένζυμο EPSPS στο βακτήριο Salmonella typhimurium, υπήρξε αντοχή λόγω τροποποίησης αλλά και υπερπαραγωγής του ενζύμου. Διαγονιδιακά φυτά τομάτας και πατάτας με μεταλλαγμένες μορφές του aroa ήταν 3 φορές ανθεκτικότερα στο ζιζανιοκτόνο. Δεν θεωρήθηκε ικανοποιητική η αντοχή και κατέφυγαν σε 2η προσέγγιση. 19 Στη 2η προσέγγιση έγινε σύντηξη ενός γονιδίου πετούνιας με το γονίδιο aroa από το Echericia coli που είχε σαν αποτέλεσμα τα διαγονιδιακά φυτά καπνού να έχουν αυξημένη παραγωγή του EPSPS και μεγαλύτερη αντοχή στο ζιζανιοκτόνο Επίσης σύντηξη του γονιδίου της διφωσφορικής ριβουλόζης (rubisco) με το aroa του Salmonella επίσης έδωσε διαγονιδιακά φυτά με αυξημένη αντοχή στο ζιζανιοκτόνο Ο κίνδυνος διαρροής του μεταλλαγμένου γονιδίου ώστε να περάσει στο γένωμα μη τροποποιημένων φυτών ή και ακόμη ζιζανίων που θα αποκτήσουν ανθεκτικότητα στο ζιζανιοκτόνο, περιορίζεται αν ο μετασχηματισμός γίνεται σε DNA του χλωροπλάστη (γιατί;)