Сельскохозяйственная биотехнология - Agricultural biotechnology

Сельскохозяйственная биотехнология, также известный как агритех, это площадь сельскохозяйственная наука с использованием научных инструментов и методов, в том числе генная инженерия, молекулярные маркеры, молекулярная диагностика, вакцина, и культура ткани, для изменения живых организмов: растений, животных и микроорганизмы.^[1]Биотехнология сельскохозяйственных культур - один из аспектов сельскохозяйственной биотехнологии, получивший большое развитие в последнее время. Желаемый признак передается от определенного вида сельскохозяйственных культур к совершенно другому виду. Эти трансген культуры обладают желаемыми характеристиками с точки зрения вкуса, цвета цветов, скорости роста, размера собранного урожая и устойчивости к болезням и вредителям.

История

Фермеры манипулировали растениями и животными посредством селекционного разведения на протяжении десятилетий тысяч лет, чтобы создать желаемые черты. В 20-м веке технологический всплеск привел к развитию сельскохозяйственных биотехнологий за счет выбора таких характеристик, как повышенная урожайность, устойчивость к вредителям и др. устойчивость к засухе, и устойчивость к гербицидам. Первый пищевой продукт, произведенный биотехнология был продан в 1990 году, и к 2003 году 7 миллионов фермеров использовали биотехнологические культуры. Более 85% этих фермеров находились в развивающихся странах.^[2]

Техники модификации урожая

Традиционное разведение

Традиционный скрещивание^[3] веками использовался для улучшения качества и количества урожая. Скрещивание скрещивает два сексуально совместимых вида для создания нового особого сорта с желаемыми чертами родителей. Например, хрустящее яблоко проявляет специфическую текстуру и аромат из-за скрещивания его родителей. В традиционной практике пыльца одного растения помещается на женскую часть другого, что приводит к гибриду, который содержит генетическую информацию от обоих родительских растений. Селекционеры отбирают растения с характеристиками, которые они хотят передать, и продолжают разводить эти растения. Обратите внимание, что скрещивание можно использовать только внутри одного или близкородственных видов.

Мутагенез

Мутации может произойти случайным образом в ДНК любого организма. Чтобы создать разнообразие сельскохозяйственных культур, ученые могут случайным образом вызывать мутации растений. Мутагенез использует радиоактивность, чтобы вызвать случайные мутации в надежде наткнуться на желаемый признак. Ученые могут использовать мутирующие химические вещества Такие как этилметансульфонат или радиоактивность для создания случайных мутаций в ДНК. Атомные сады используются для мутации сельскохозяйственных культур. Радиоактивное ядро расположено в центре круглого сада и возвышается над землей, чтобы излучать окружающие культуры, вызывая мутации в определенном радиусе. Мутагенез под действием излучения был процессом, использовавшимся для производства рубиново-красные грейпфруты.

Полиплоидия

Полиплоидия можно заставить изменить количество хромосом в культуре, чтобы повлиять на ее фертильность или размер. Обычно у организмов есть два набора хромосомы, иначе известный как диплоидия. Однако естественным путем или с помощью химикатов это количество хромосом может измениться, что приведет к изменению фертильности или изменению размера урожая. Таким образом создаются арбузы без косточек; арбуз с 4 наборами хромосом скрещивается с арбузом с 2 наборами хромосом для создания стерильный (без косточек) арбуз с тремя наборами хромосом.

Слияние протопластов

Слияние протопластов соединение клеток или клеточных компонентов для передачи признаков между видами. Например, признак мужского бесплодия передается от редиса к краснокочанной капусте путем слияния протопластов. Это мужское бесплодие помогает селекционерам выращивать гибридные культуры.^[4]

РНК-интерференция

РНК-интерференция (RNAIi) - это процесс, в котором РНК к белку механизм выключен или выключен, чтобы подавить гены. Этот метод генетической модификации работает, вмешиваясь в информационную РНК, чтобы остановить синтез белков, эффективно подавляя ген.

Трансгеники

Трансгеники включает в себя вставку одного фрагмента ДНК в ДНК другого организма, чтобы ввести новые гены в исходный организм. Это добавление генов в генетический материал организма создает новую разновидность с желаемыми характеристиками. ДНК необходимо подготовить и упаковать в пробирку, а затем ввести в новый организм. Новая генетическая информация может быть вставлена с помощью биолистика. Примером трансгенных растений является радуга папайя, модифицированная геном, придающим ей устойчивость к вирус кольцевой пятнистости папайи.

Редактирование генома

Редактирование генома это использование ферментной системы для модификации ДНК непосредственно внутри клетки. Редактирование генома используется для создания устойчивого к гербицидам канолы, чтобы помочь фермерам контролировать сорняки.

Улучшенная питательная ценность

Сельскохозяйственная биотехнология использовалась для улучшения питательной ценности различных культур, чтобы удовлетворить потребности растущего населения. Генная инженерия может производить культуры с более высокой концентрацией витаминов. Например, золотой рис содержит три гена, которые позволяют растениям производить соединения, которые превращаются в витамин А в теле человека. Этот рис с улучшенными питательными свойствами предназначен для борьбы с главной причиной слепоты в мире -дефицит витамина А. Аналогичным образом проект Banana 21^[5] работал над улучшением питания бананов для борьбы с дефицит микронутриентов в Уганде. Генетически модифицировав бананы, чтобы они содержали витамин А и железо, Banana 21 помог найти решение проблемы дефицита питательных микроэлементов через основной продукт питания и основной источник крахмала в Африке. Кроме того, можно разработать культуры для снижения токсичности или получения сортов с удаленными аллергены.

Гены и признаки, представляющие интерес для сельскохозяйственных культур

Агрономические признаки

Устойчивость к насекомым

Одна очень востребованная черта - это устойчивость к насекомым. Это свойство увеличивает устойчивость культуры к вредителям и позволяет получать более высокий урожай. Примером этой черты являются сельскохозяйственные культуры, которые генетически модифицированы для производства инсектицидных белков, первоначально обнаруженных в (Bacillus thuringiensis ). Bacillus thuringiensis - это бактерия, вырабатывающая белки, отпугивающие насекомых, которые не вредны для человека. Гены, ответственные за устойчивость к насекомым, были выделены и введены во многие культуры. Bt кукуруза и хлопок в настоящее время являются обычным явлением, а коровий горох, подсолнечник, соевые бобы, томаты, табак, грецкие орехи, сахарный тростник и рис изучаются в отношении Bt.

Толерантность к гербицидам

Сорняки были проблемой для фермеров на протяжении тысяч лет; они конкурируют за питательные вещества почвы, воду и солнечный свет и оказываются смертельными для сельскохозяйственных культур. Биотехнология предложила решение в виде устойчивости к гербицидам. Химические гербициды распыляются непосредственно на растения, чтобы убить сорняки и, следовательно, конкуренцию, а устойчивые к гербицидам культуры имеют возможность расти.

Устойчивость к болезням

Часто сельскохозяйственные культуры поражаются болезнями, передаваемыми через насекомых (например, тля ). Распространение болезни среди сельскохозяйственных культур невероятно трудно контролировать, и раньше можно было справиться только путем полного удаления пораженных культур. Область сельскохозяйственной биотехнологии предлагает решение путем генной инженерии устойчивости к вирусам. Выращивание устойчивых к болезням ГМ культур теперь включает: маниока, кукуруза, и сладкий картофель.

Температурный допуск

Сельскохозяйственная биотехнология также может предоставить решение для растений в экстремальных температурных условиях. Чтобы максимизировать урожай и предотвратить гибель сельскохозяйственных культур, могут быть созданы гены, которые помогают регулировать устойчивость к холоду и жаре. Например, деревья папайи были генетически модифицированы, чтобы они более устойчивы к жаре и холоду.^[6] Другие характеристики включают эффективность использования воды, эффективность использования азота и солеустойчивость.

Качественные черты

К качественным характеристикам относятся повышенная пищевая или диетическая ценность, улучшенная обработка и хранение пищевых продуктов или устранение токсинов и аллергенов из сельскохозяйственных культур.

Общие ГМО-культуры

В настоящее время лишь небольшое количество генетически модифицированные культуры доступны для покупки и потребления в США. Министерство сельского хозяйства США одобрило соевые бобы, кукурузу, рапс, сахарную свеклу, папайю, тыкву, люцерну, хлопок, яблоки и картофель.^[7] ГМО-яблоки (арктические яблоки ) не подрумянивают яблоки и устраняют необходимость в обработке против потемнения, уменьшают пищевые отходы, и выявить аромат. Производство Bt-хлопка в Индии резко возросло: в 2011 году впервые было засеяно 10 миллионов гектаров, что привело к сокращению применения инсектицидов на 50%. В 2014 году индийские и китайские фермеры засеяли более 15 миллионов гектаров Bt-хлопка.^[8]

Проверка безопасности и государственные постановления

Регулирование сельскохозяйственных биотехнологий в США подпадает под действие трех основных государственных органов: Департамент сельского хозяйства (USDA), Агентство по охране окружающей среды (EPA), и Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). USDA должно одобрить выпуск любых новых ГМО, EPA контролирует регулирование инсектицидов, а FDA оценивает безопасность конкретной культуры, отправляемой на рынок. В среднем, требуется почти 13 лет и 130 миллионов долларов на исследования и разработки для генетически модифицированный организм выйти на рынок. Процесс регулирования в США занимает до 8 лет.^[9] Безопасность ГМО стала предметом дебатов во всем мире, но в дополнение к работе FDA проводятся научные статьи для проверки безопасности потребления ГМО. В одной из таких статей был сделан вывод, что рис Bt не оказывает отрицательного воздействия на пищеварение и не вызывает горизонтальный перенос генов.^[10]