Βιοτεχνολογία στη γεωργία: διαγονιδιακά φυτά
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 9 · Ελεγχόμενες διασταυρώσεις, διαγονιδιακοί οργανισμοί, Agrobacterium, καταπολέμηση εντόμων
Πώς ένα φυτό φτιάχνει μόνο του το εντομοκτόνο του;
Στα χωράφια με Bt καλαμπόκι ή Bt βαμβάκι, οι προνύμφες ορισμένων εντόμων που τρώνε τα φύλλα πεθαίνουν — χωρίς να έχει ψεκαστεί τίποτα. Το φυτό φέρει ένα γονίδιο βακτηρίου και φτιάχνει μόνο του μια πρωτεΐνη τοξική για αυτά τα έντομα. Πώς μπαίνει ένα βακτηριακό γονίδιο σε φυτό;
Από τις ελεγχόμενες διασταυρώσεις στους διαγονιδιακούς οργανισμούς
Επί χιλιάδες χρόνια ο άνθρωπος βελτιώνει φυτά και ζώα με επιλογή και ελεγχόμενες διασταυρώσεις: διασταυρώνει άτομα με επιθυμητά χαρακτηριστικά και επιλέγει τους καλύτερους απογόνους. Η μέθοδος αυτή έχει όμως περιορισμούς:
- είναι χρονοβόρα (απαιτεί πολλές γενιές),
- μεταφέρει μαζί με το επιθυμητό γονίδιο και πολλά άλλα γονίδια,
- γίνεται μόνο μεταξύ ίδιων ή πολύ συγγενικών ειδών.
Με την τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA μπορούμε να μεταφέρουμε συγκεκριμένο γονίδιο, ακόμη και από εντελώς διαφορετικό οργανισμό. Οργανισμοί στο γονιδίωμα των οποίων έχει ενσωματωθεί ξένο γονίδιο ονομάζονται διαγονιδιακοί (γενετικά τροποποιημένοι). Στόχοι: αύξηση της φυτικής και ζωικής παραγωγής, βελτίωση της ποιότητας (π.χ. θρεπτική αξία), ανθεκτικότητα σε έντομα, ιούς, ζιζανιοκτόνα ή δυσμενείς συνθήκες.
Το Agrobacterium μεταφέρει γονίδια στα φυτά
Το βακτήριο του εδάφους Agrobacterium tumefaciens μολύνει δικοτυλήδονα φυτά και προκαλεί όγκους. Φέρει ένα πλασμίδιο, το Ti (tumor-inducing), τμήμα του οποίου ενσωματώνεται στο DNA των φυτικών κυττάρων.
Οι επιστήμονες εκμεταλλεύονται αυτή την ικανότητα:
- Από το πλασμίδιο Ti αφαιρούνται τα γονίδια που προκαλούν όγκους.
- Στη θέση τους εισάγεται το επιθυμητό γονίδιο (με περιοριστικές ενδονουκλεάσες και DNA δεσμάση) — προκύπτει ανασυνδυασμένο πλασμίδιο.
- Το ανασυνδυασμένο πλασμίδιο εισάγεται στο Agrobacterium, το οποίο μολύνει φυτικά κύτταρα σε καλλιέργεια. Το επιθυμητό γονίδιο ενσωματώνεται στο γονιδίωμά τους.
- Από τα τροποποιημένα κύτταρα αναγεννάται ολόκληρο φυτό, που φέρει το γονίδιο σε όλα τα κύτταρά του και το μεταβιβάζει στους απογόνους του.
Γιατί από το πλασμίδιο Ti αφαιρούνται ορισμένα γονίδια πριν χρησιμοποιηθεί ως φορέας;
Το Ti στο πλασμίδιο Ti σημαίνει Tumor-inducing, δηλαδή «επάγει όγκους». Αν το θυμάσαι, θυμάσαι και γιατί αφαιρούνται τα γονίδια των όγκων πριν χρησιμοποιηθεί ως φορέας: θέλουμε να μεταφέρει το γονίδιό μας, όχι να αρρωστήσει το φυτό.
Καταπολέμηση παρασίτων και εντόμων
Το βακτήριο Bacillus thuringiensis παράγει μια πρωτεΐνη, την τοξίνη Bt, που είναι τοξική για ορισμένα έντομα (κυρίως τις προνύμφες τους), αλλά αβλαβής για τον άνθρωπο και τα άλλα θηλαστικά. Η τοξίνη παράγεται ως ανενεργή πρόδρομη μορφή και ενεργοποιείται στο αλκαλικό περιβάλλον του πεπτικού σωλήνα των εντόμων, όπου καταστρέφει τα κύτταρα του εντέρου. Στο όξινο στομάχι των θηλαστικών δεν ενεργοποιείται.
Το γονίδιο της τοξίνης έχει μεταφερθεί σε φυτά (π.χ. καλαμπόκι, βαμβάκι): τα Bt φυτά παράγουν μόνα τους την τοξίνη και προστατεύονται από τα έντομα, οπότε μειώνεται η χρήση χημικών εντομοκτόνων, με όφελος για το περιβάλλον.
Προβληματισμοί: πιθανή ανάπτυξη ανθεκτικότητας στα έντομα, επίδραση σε μη στοχευόμενα έντομα, διασπορά γονιδίων σε συγγενικά άγρια φυτά.
Πολύ πριν από τα διαγονιδιακά φυτά, σκευάσματα με το ίδιο το βακτήριο Bacillus thuringiensis ψεκάζονταν ως βιολογικό εντομοκτόνο — και επιτρέπονται μέχρι σήμερα ακόμη και στη βιολογική γεωργία. Η γενετική μηχανική απλώς μετέφερε το γονίδιο της τοξίνης μέσα στο ίδιο το φυτό.
Μέθοδος: περιγραφή δημιουργίας διαγονιδιακού φυτού
- Απομόνωση του επιθυμητού γονιδίου (π.χ. τοξίνη Bt από B. thuringiensis).
- Φορέας: πλασμίδιο Ti χωρίς τα γονίδια των όγκων.
- Σύνδεση: ίδια περιοριστική ενδονουκλεάση → συμπληρωματικά μονόκλωνα άκρα → DNA δεσμάση.
- Μεταφορά: μετασχηματισμός Agrobacterium → μόλυνση φυτικών κυττάρων σε καλλιέργεια.
- Επιλογή των τροποποιημένων κυττάρων (π.χ. με γονίδιο ανθεκτικότητας) και αναγέννηση ολόκληρου φυτού.
- Έλεγχος έκφρασης (παράγει το προϊόν;) και μεταβίβασης στους απογόνους.
Παράδειγμα 1: Γιατί η τοξίνη Bt δεν βλάπτει τον άνθρωπο που τρώει Bt καλαμπόκι;
Λύση: Η τοξίνη παράγεται σε ανενεργή μορφή και ενεργοποιείται μόνο στο αλκαλικό pH του εντέρου ορισμένων εντόμων, όπου υπάρχουν και οι κατάλληλοι υποδοχείς. Στον πεπτικό σωλήνα του ανθρώπου (όξινο στομάχι) δεν ενεργοποιείται και διασπάται όπως κάθε πρωτεΐνη της τροφής.
Παράδειγμα 2: Ποιο πλεονέκτημα έχει η δημιουργία ανθεκτικού στα έντομα φυτού με γενετική μηχανική έναντι των ελεγχόμενων διασταυρώσεων;
Λύση: Με τη γενετική μηχανική μεταφέρεται μόνο το επιθυμητό γονίδιο, γρήγορα, και μάλιστα από άλλο είδος (βακτήριο) — κάτι αδύνατο με διασταυρώσεις, που γίνονται μόνο μεταξύ συγγενικών οργανισμών και μεταφέρουν μαζί πολλά ανεπιθύμητα γονίδια.
Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Περιγράψτε τα στάδια για τη δημιουργία διαγονιδιακού φυτού βαμβακιού ανθεκτικού σε έντομα και εξηγήστε γιατί το φυτό που προκύπτει μεταβιβάζει την ιδιότητα στους απογόνους του.
Λύση:
- Απομονώνεται το γονίδιο της τοξίνης Bt από το Bacillus thuringiensis.
- Από το πλασμίδιο Ti του Agrobacterium tumefaciens αφαιρούνται τα γονίδια που προκαλούν όγκους.
- Γονίδιο και πλασμίδιο κόβονται με την ίδια περιοριστική ενδονουκλεάση και συνδέονται με DNA δεσμάση → ανασυνδυασμένο πλασμίδιο.
- Το πλασμίδιο εισάγεται στο Agrobacterium, που μολύνει κύτταρα βαμβακιού σε καλλιέργεια· το γονίδιο ενσωματώνεται στο DNA τους.
- Από ένα τροποποιημένο κύτταρο αναγεννάται ολόκληρο φυτό.
Επειδή όλο το φυτό προέρχεται (με μιτώσεις) από το τροποποιημένο κύτταρο, το γονίδιο υπάρχει σε όλα τα κύτταρα, και στα γεννητικά. Έτσι περνά στους γαμέτες και μεταβιβάζεται στους απογόνους.
Ποιο από τα παρακάτω είναι μειονέκτημα των ελεγχόμενων διασταυρώσεων σε σχέση με τη γενετική μηχανική;
Πού ενεργοποιείται η τοξίνη Bt;
Ένα διαγονιδιακό φυτό βαμβακιού έχει ενσωματώσει ένα αντίγραφο του γονιδίου της τοξίνης Bt σε ένα μόνο από τα δύο ομόλογα ενός ζεύγους χρωμοσωμάτων. Γράψε για το χρωμόσωμα με το γονίδιο και για το ομόλογό του χωρίς αυτό.
(α) Το φυτό αυτογονιμοποιείται. Τι ποσοστό των απογόνων είναι ανθεκτικό στα έντομα; (β) Από τα ανθεκτικά, τι ποσοστό είναι ομόζυγο ; (γ) Πώς θα ξεχωρίσεις ένα ανθεκτικό φυτό από ένα , ώστε να φτιάξεις σταθερή ποικιλία;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Το φυτό είναι και δίνει γαμέτες και με πιθανότητα ο καθένας (νόμος του διαχωρισμού). Αυτογονιμοποίηση: , , . Αρκεί ένα αντίγραφο για να παραχθεί η τοξίνη: ανθεκτικά τα , δηλαδή 75%.
(β) των ανθεκτικών είναι .
(γ) Με διασταύρωση ελέγχου: διασταυρώνεις το ανθεκτικό φυτό με μη διαγονιδιακό (). Αν είναι , όλοι οι απόγονοι είναι ανθεκτικοί (). Αν είναι , οι μισοί περίπου είναι ανθεκτικοί. Κρατάς τα , που μεταβιβάζουν την ιδιότητα σε όλους τους απογόνους τους.
- «Το Agrobacterium χρησιμοποιείται όπως είναι.» Πρώτα αφαιρούνται τα γονίδια των όγκων από το Ti.
- «Μόνο το τροποποιημένο κύτταρο έχει το γονίδιο.» Το αναγεννημένο φυτό το έχει σε όλα τα κύτταρά του.
- «Η τοξίνη Bt είναι χημικό εντομοκτόνο.» Είναι βακτηριακή πρωτεΐνη που παράγει το ίδιο το φυτό.
- Παράλειψη της DNA δεσμάσης ή της ίδιας περιοριστικής ενδονουκλεάσης στην περιγραφή.
- Ελεγχόμενες διασταυρώσεις: χρονοβόρες, μεταφέρουν πολλά γονίδια, μόνο μεταξύ συγγενικών ειδών.
- Διαγονιδιακοί οργανισμοί: φέρουν ξένο γονίδιο στο γονιδίωμά τους· αύξηση και βελτίωση παραγωγής.
- Agrobacterium tumefaciens: πλασμίδιο Ti χωρίς γονίδια όγκων → μεταφορά γονιδίου σε φυτικά κύτταρα → αναγέννηση φυτού.
- Τοξίνη Bt (Bacillus thuringiensis): ενεργοποιείται στο αλκαλικό έντερο εντόμων, αβλαβής για θηλαστικά· Bt καλαμπόκι, βαμβάκι.
- Λιγότερα εντομοκτόνα, αλλά προβληματισμοί (ανθεκτικότητα εντόμων, διασπορά γονιδίων).