Knjiga BIOTEHNOLOGIJA U ZAŠTITI BILJA, od aulora prof. dr Branka Konstantinovića i prof. dr Jelene Bošković, predstavlja izuzetno značajno delo, sa pregledom najnovijih naučnih istraživanja u oblasti biotehnologije u zaštiti bilja. Osim naučnog, publikacija je veoma vredna i sa stručnog i informativnog stanovišta, pošto obuhvata multidisciplinarni pristup savremenih naučnih istraživanja u oblasti biotehnologije. Značaj je utoliko veći, i za naučnike više disciplina, a posebno pošto se najnovija istraživanja širom sveta u ovoj oblasti prvi put objavljuju u našoj zemlji. Vrednost u ovoj knjizi je i dodatni rečnik, biotehnoloških genetičkih izraza i pojmova koji su korišteni u tekstu. Pošto su izrazi originalnog engleskog porekla, to se u rečniku iznose prvo objašnjenja na engleskom, a potom na srpskom jeziku. Ovaj rečnik je neophodan u potpunom razumevanju naučno izložene materije. U ovoj naučnoj publikaciji opsežno se razmatra fenomen otpornosti na svim nivoima i stepenima, a to je najveći doprinos za povećanu poljoprivrednu proizvodnju i zaštitu životne sredine. Knjigu mogu da koriste i kao udžbenik, kako redovni studenti, tako i studenti poslediplomskih i doktorskih studija na svim biotehničkim fakultetima. Publikacija je vredna i korisna za sav naučni, obrazovni i stručni kadar, pošto sadrži preko 875 naučnih literarnih citata, i na taj način mogu se upoznati nova dostignuća primene molekularno gcnetskih metoda u poljoprivrednoj proizvodnji, a posebno u zaštiti bilja.
Novi Sad, 5. IV. 2001. Recenzenti
dr Momčilo Bošković, naučni savetnik
dr Pero Štrbac, redovni profesor
dr Mileta Zivanović, redovni profesor
The book B1OTECHNOLOGY IN PLANT PROTECTION, of the authors Prof. Branko Konstantinovic, Ph. D. and Pfof. Jelcna Boskovic Ph. D., represents remarkably significant work, with review of the most contemporary scientific studies in the field of biotechnology in plant protection. Along with scientific, the publication is very valuablc from spccialty and informative point of view, for it comprehends mullidisciplinary approach to contemporary scienlific researches in the field of biotechnology. It is even more significant for scientists that work in several fields, whereas in scientific and proficient literature it is published in our country for the first time. The book is also valuable because of the supplementary dictionary of biotechnological genetic expressions and notions. As these expressions are of the original English origin, in the dictionary given Serbian oncs follow explanations in English language. This dictionary is necessary for completc understanding of the book’s scientific material. In this publication work phcnomenon of resistance is considered on all levcls and scales, giving the greatest contribution to increase of agriculture production and environmental protection. This book may be used as manual by undergraduate, as well as by postgraduate students, i.e. M. Sc. and Ph. D. studies on all biotechnological faculties. Publication is valuable and useful for all scientific, educational and skilled personnel which can ovcr 875 scientific literature citations meet all new accomplishments of molecular and genetically methods in agricultural production and especially in plant protection.
Novi Sad, 5″‘, April 2001. Reviewers
Momčilo Bosković, Ph. D., scientific councilor Prof. Pero Štrbac, Ph. D.
Prof. Mileta Zivanovic, Ph. D.
Novi vek će sigurno biti vek biotehnologije, uključujući sekvencioniranje Ijudskog genonia, na dobrobit celog čovečanstva. Pomažući nam, da i dalje kontrolišemo bolesti, štetočine, promene u spoljašnjoj sredini, omogućavajući ishranu narastajuće humane populacije.
Biotehnologija sigurno spada u jedno od najvećih dostignuća od Galileja i u potpunosti potvrđuje ispravan stav Dubinjina, da će od tri osnovne Ijudske delatnosti, jedna biti usmerena u pravcu ovladavanja prirodne promenjivosti.
Knjigu posvećujemo našim profesorima Akademiku Slavku Borojeviću Prof. dr Aleksandru Stankoviću
Predgovor
Biotehnologija u biljnoj proizvodnji je nova epoha za naučnike koji rade na održavanju zdravih biljka uz optimalne prinose useva i minimalnu upotrebu pesticida. Jedan od najznačajnijih ciljeva u biljnoj biotehnologiji je ishrana narastajuće svetske populacije. Novije statistike ekonomista su pokazale da je svetska populacija porasla za 90% u poslednjih 40 godina, dok je proizvodnja hrane povećana za samo 25% po glavi stanovnika. Imajući u vidu da do 2020. godine treba nahraniti svetsku populaciju od 1,5 bilion Ijudi, potrebno je proizvesti 39% više zrnaste hrane (The Economist, March 2000.). Ovaj pregled ukazuje na realan opis proizvodnje hrane u svetlu ukupne Ijudske populacije i potrošača hrane u novom milemjumu. Tu se neminovno uključuju razmere razmatranja rizika i prednosti u proizvodnji biljnih vrsta stvorenih primenom genetskog inženjeringa, da bi zadovoljili rastuće potrebe za hranom, a u isto vreme vodeći računa o čistoći i očuvanju spoljašnje sredine.
Genetski inženjering ima veliki potencijal da obezbedi obilje karakteristika prednosti biljaka, posebno u vezi sa povećanjem mogućnosti da se odupre napadima biljnih patogena. Novi pristupi za suzbijanje biljnih patogena su posebno značajni za one patogene koje je teško suzbijati postojećim metodama. Procenat gubitaka u prinosu useva od biljnih patogena, insekata, štetočina i korova stabilno je povećan na svetskom nivou i do 42%, računajući i oko 500 biliona dolara gubitaka na svetskom nivou (Oerke i sar., 1994). Samo u SAD gubitci od biljnih patogena iznose 9,1 biliona dolara, dok širom sveta bolesti redukuju prinose biljnih useva za 12% (Food and Agriculture Organization, 1993). Primena pesticida širom sveta godišnje košta oko 26 biliona dolara, da bi se smanjili gubitci u prinosu od navedenih parazita, štetočina i korova.
Genetski otporne biljne vrste prema patogenima mogu smanjiti ogromne gubitke useva i redukovati primenu pesticida.
Postoje četiri glavna područja istraživanja i primene genetskog inženjeringa za otpornost prema patogenima:
Povećanje otpornosti sa genima biljaka. Naučnici iz celog sveta istražuju biohemijsku prirodu i reakcije biljaka na infekcije od biljnih patogena i dalji razvoj bolesti. Geni otpornosti biljaka i geni koji su uključeni u otpome reakcije se identifikuju i ugrađuju u biljne vrste da bi ih zaštitio od biljnih patogena.
Otpornost proizvedena od patogena. Biljke mogu da budu zaštićene od patogena sa transgenima (geni koji su genetskim inženjeringom ugrađeni u biljke), koji su proizvedeni od samih patogena, po Čemu je i nazvan koncept. Na primer: transgeni biljnih virusa mogu da zaštite biljke od virusne infekcije, od kojih su potekli transgeni.
Antimikrobni proteini. Druga oblast istraživanja uključuje peptide i proteine sa antimikrobnim osobinama, koje proizvedene od biljka, poseduju potencijal da ojačaju otpornost prema gljivičnim i bakterijskim biljnim patogenima. Gljivice, insekti, životinje i Ijudi poseduju gene vezane za antimikrobna jedinjenja.
Biljna antitela (plantibodies). lako biljke imaju mehanizme da se zaštite od napada patogena, za razliku od životinja kod biljka ne postoji ”imuno-sistem”. Primenom genetskog inženjeringa, biljke mogu da budu izrazita antitela prema proteinima značajnih za patogenezu koja rezultira u stepenu imuniteta ili otpornosti prema patogenu.
Biotehnologija je danas izrazito aktuelna oblast, sa suprostavljenim debatama, u kojima preovlađuju, kako jaka tvrđenja prednosti, tako i nedostataka i štetnosti. Rasprave se ne odvijaju samo u oblasti nauke, već i na političkom, socialekonomskom, etičkom i filovofskom nivou.
Biotehnologija je restaurirala celishodnost naučnih istraživanja, proširenjem značaja otpornih biljaka, i usmeravajući na bezbedne i pažljive poduhvate. Kao i u svakoj drugoj novoj tehnologiji, još mnogo toga treba da bude učinjeno, pre realizovanja ukupnih potencijala poljoprivredne biotehnologije. Što više produkata biljne biotehnologije bude dostupno, istraživanja procene rizika vezanih za biotehnologiju moraju da budu intenzivirana. Dostignuća ovih istraživanja moraju biti lako prihvatljiva i prihvaćena od javnog mnjenja. Rizici vezani za ovu tehnologiju moraju da budu upućeni i na prednosti koje treba imati na umu. Suočeni smo sa ogromnom perspektivom biotehnologije i zapanjujućim gledištem koje proširuje fundamentalno razumevanje našeg života.
U ovoj publikaciji iznet je pregled i rezultati intenzivnih naučnih istraživanja u oblasti biotehnologije u zaštiti bilja, koja je poslednjih godina dobila neobično veliki značaj u svetu. Pošto u našoj zemlji nije bilo uslova za primenu i razvoj ovih istraživanja, smatrali smo da je neophodno pružiti informativni pregled ovih istraživanja u svetu. Ovo, tim više, što ova istraživanja pružaju jako veliku budućnost u povećanju proizvodnje hrane u svetu, a posebno je značajna stvaranjem i unošenjem aktivne otpornosti prema parazitima, štetočinama i korovima u zaštiti bilja.
Ova publikacija, kao prva na našem jeziku, treba da posluži na samo informativno poljoprivrednim naučnim institutima i fakultetima, nego i kao deo obrazovnog nastavno-naučnog programa osnovnih, poslediplomskih i doktorskih studija na biotehničkim fakultetima.
Ovom prilikom želimo da izrazimo zahvalnost recenzentima rukopisa, dr Momčilu Boškoviću, koji je svojim ogromnim naučnim međunarodnim iskustvom i sugestijama doprineo da ova publikacija sadrži prava multidisciplinama naučna razmatranja, uz korišćenje brojne bibliografije najznačajnijih naučnika iz sveta u ovoj oblasti; kao i Prof. dr Peri Štrbcu i Prof. dr Miletu Živanoviću, na ukazanoj pomoći i korisnim savetima koji su doprineli poboljšanju teksta knjige.
Takođe se zahvaljujemo mr Mariji Vukosav i Dušici Dević na tehničkoj pomoći u izradi ove publikacije.
Posebnu zahvalnost dugujemo sponzorima koji su omogućili štampanje.
Autori
Dr Branko I. Konstantinović, dr Jelena Z. Bošković
Sadržaj
UVOD
ZNAČAJ I METODE PRENOŠENJA GENA KOD BILJAKA
Objašnjenje koncepta
Preduslovi za prenos gena
Indirektan prenos gena
Direktni prenos gena
Mikroinjekcija
UV laserski mikrosnop
Hemijski tretman sa PEG
Elektroporacija
Metod mikroprojektilnog pištolja (biolistik)
Problemi transformacije i regeneracije u višim biljkama
Prenos gena sa Agrobacterium u lisne delove paradajza i krompira
Metod transformacije lisnim delićima
Testiranje regenerisanih proizvoda za transgenost
Testiranje transgenih biljaka za biološke efekte
Prenos gena sa Agrohacterium u tkivo biljaka i protoplasta uljane repice . Transformacija delića stabljike
Transformacija protoplasta
Direktni prenos gena u protoplast pirinča
Direktan prenos gena sa PEG
FENOMEN OTPORNOSTI GAJENIH BILJAKA
Prirodni mehanizmi otpornosti
Mehanizmi indukovane otpornosti
Aspekti prepoznavanja hipersenzitivne reakcije
Konvencionalna selekcija na otpornost
GENETIČKI INŽENJERING U ZAŠTITI BILJA
Molekularna selekcija u otpornosti prema patogenima
Interakcije patogena i domaćina
Sistemična stečena otpornost
Koncept programiranog umiranja ćelija (PDC) koji potiče iz biljaka
Umiranje ćelije kao aktivni program indukovan signalima
Sumo proteini koji sprečavaju EIX-indukovano izumiranje ćeiije iz paradajza
Dvohibridna selekcija međusobno delujućih EIX proteina
Sličnost T-SUMO sa proteinima nalik na ubikvitin
Mapiranje T-SUMO na genomu paradajza
Suzbijanje reakcije EIX-a u biljkama transgenog duvana uz pomoć T-SUMO gena
Primena genetskog inženjeringa kod selekcije na otpornost prema patogenima žitarica
Transformacija žitarica
Geni otpornosti na patogene u transgenim biljkama
Stilben sintaza
Brzi test za ispitivanje efikasnosti transgena (transient expression assay) . Usmerena ekspresija transgena
Fitoaleksini
Fitoaleksini stilbene tipa i stilben sintaza
Aktiviranje endogenih biljnih odbrambenih mehanizama
Otpornost na patogene kod transgenih biljaka
OTPORNOST PREMA VIRUSIMA
Ekspresija proteinskog omotača i vezujućih proteina nukleinskih kiselina Delovanje proteina na prenos virusa
Životinjski gen kao antivirusni zaštitnik biljaka
Inhibicija virusne replikacije sa „antisense”
Ribovomi
Aspekti sigurnosti
OTPORNOST PREMA ŠTETOČINAMA
Način delovanja B.t. kristaliziranih toksina
Uloga spora u patogenezi
Komercijalna upotreba Bacillus thuringiensis
Transgene bakterije, virusi, alge i drugi mikroorganizmi sa B.t. toksin genima
Upotreba transgenih mikroorganizama
Poboljšavanje foliarne efikasnosti i delovanje B.t.
Sistemi delovanja
CeilCap sistem
Efikasnost B.t. proizvoda u zemljištu
Genetički izmenjene biljke sa delovanjem B.t. endotoksina
Mogući problemi u širokom uzgoju transgenih biljaka sa B.t. endotoksin genima
Genetički sistemi u zaštiti od nematoda
Proteaze koje inhibiraju peptide
Lecitini
Drugi geni otpornosti
OTPORNOST PREMA HERBICIDIMA
Promene selekcionog pritiska
Sistem jakih gena otpornosti
Poligenski sistemi
Povratno ukrštanje
Evolucija otpornosti prema herbicidima
Genetska varijabilnost
Prirodna selekcija
Primarni faktori evolucionih odnosa
Modifikujući faktori evolucionog odnosa
Varijacija major gena
Poligena varijacija
Uticaj protoka gena
Preživljavanje
Način ukrštanja
Primena herbicidno otpornih biljaka
Potreba za herbicidima
Uticaj otpornih biljnih vrsta na herbicide
Otpornost na herbicide
Geni otpornosti prema herbicidima i herbicidna selektivnost Otpornost prema atrazinu
Otpornost prema glifosatu
Otpornost prema herbicidu glufosinatu-amonijumu
Inhibitori acetolaktatne sinteze
Otpornost prema bromoksinilu
Tolerantnost na metribuzin
ZNAČAJ TRANSGENIH BILJAKA U SUZBIJANJU OTPORNIH KOROVA
Značaj genetskih modifikovanih biljaka otpornih prema herbicidima u ratarsko-povrtarskoj proizvodnji
Mogućnosti u iznalaženju mehanizma otpornosti gajenih biljaka prema herbicidima
Tehnike stvaranja genotipova otpornih prema herbicidima
Transfer gena posredstvom Agrobacterium tumefaciens
Genetički pištolj
Stimulacija endocitoze hemijskim putem
Elektroporacija
Mikroinjektiranje
Moguće posledice stvaranja multiplih transgenih biljaka i transgena nestabilnosti
Ekonomski važnije transgene gajene biljke otporne prema herbicidima
Regulativa za korišćenje genetički modifikovanih organizama (GMO)
INTERAKCIJA GENETSKIH MODIFIKOVANIH BILJAKA I SPOLJAŠNJE SREDINE
Zaštita bilja
Herbicidna tolerantnost
Tolerantnost na stres
Karakteristike kvaliteta GM biljaka
Nekultivisane populacije biljaka transgenih useva
Seksualna kompatibilnost između gajenih biljnih useva i prirodnih vrsta
Prelazak gena sa useva na korove
Selekcija na otpornost prema štetnim organizmima primenjena u SAD Kompleks usev-korov
Sirak ─ divlji sirak
Pirinačkompleks divlji pirinač/crveni pirinač
Kompleks pšenica ─ Aegilops cylindrica/Agropyron Gaertn (sensu strictd)
Hibridizacija
Introgresija i adaptacija
Disperzija semena
Ekološke posledice ─ efekti
Zakorovljenost
Ekologija
Transgeni
Toksičnost transgenih proizvoda
Stabilnost delovanja transgena
Propisi i monitoring
PREGLED KOMERCIJALNIH TRANSGENIH BILJAKA U SVETU U 2000. GODINI
Rasprostranjenost transgenih useva po karakteristikama
SUMMARY
LITERATURA
DICTIONARY ─ REČNIK
INDEKS AUTORA
INDEKS POJMOVA
Uvod
U ovoj knjizi će biti reči o novim genetskim tehnologijama koje se koriste u zaštiti bilja. Ovo nisu prve tehnologije koje su uticale na uzgoj poljoprivrednih vrsta u desetohiljaditoj istoriji njihovog gajenja. Kao i kod drugih tehnologija, domestikacija biljaka i životinja, mehanizacija, hemijska đubriva i pesticidi, kao i pnmena novih genetskih metoda podstiču razmatranja koja uključuju kako rizike tako i koristi. Živimo u sve složenijem svetu u kome moramo da se odlučimo o tehnički složenim istraživanjima i često ne raspolažemo činjenicama koje su nam potrebne da bi doneli odluke. Ove tehnologije spadaju u domen genetičkog inžinjeringa, biotehnologije i rekombinacije DNK ili ”kalemljenje gena”.
Prema definiciji Evropske Federacije Biotehnologa (1982) biotehnologija je integralna primena biohemije, mikrobiologije i inženjerskih nauka u cilju iskorišćavanja mikroorganizama, kultura biljmh i životinjskih ćelija ili njihovih delova za dobijanje korisnih proizvoda (Šema 1). Uključivanjem genetskog inženjerstva moguće je dobiti i proizvode koji se tradicionalnim biotehnologijama ne mogu dobiti.
Prema definiciji OECD-a biotehnologija je primena naučnih i inženjerskih (tehnoloških) principa u obradi materijala pomoću bioloških agenasa, dok se molekularna biotehnologija operativno može definisati kao disciplina biotehnologije koja je zasnovana na primeni principa genetskog inženjerstva i njime dobijenih proizvoda.
Genetski inženjering predstavlja najznačajnjih deo biotehnologije u koji se uključuje više naučnih disciplina i njihova međusobna zavisnost. Po definiciji to je skup metoda koje omogućuju uvođenje gena ili nekog njegovog dela i više ili manje stabilno održavanje ovakvog entiteta u ćeliji domaćinu. Metode genetičkog inženjerstva su:
1. tehnike rekombinantne DNK koje koriste vektorske sisteme;
2. tehnike koje uključuju direktno uvođenje u jedan organizam naslednog materijala napravljenog izvan tog organizma, a u koje spadaju mikroinjiciranje i mikroinkapsulacija;
3. tehnike hibridinoma kojima se formiraju žive ćelije sa novom kombinacijom naslednog genetskog materijala i to fuzionisanjem dve ili više ćelija na način kako se to u prirodi ne može odigrati.
INŽENJERSKE NAUKE
MERNA I REGULACIONA TEHNIKA
HEMIJA
a) HEMIJA PRIRODNIH SPOJEVA
b) FIZIČKA HEMIJA
c) ENZIMSKA TEHNOLOGIJA
BIOLOGIJA
MIKROBIOLOŠKE, BILJNE I ANIMALNE KULTURE ĆELIJA
BIOTEHNOLOGIJA
BIOHEMIJA, MOLEKULARNA BIOLOGIJA, GENETIKA (GEN. INŽENJERSTVO)
HEMIJSKO INŽENJERSTVO
BIOHEMIJSKO INŽENJERSTVO
Šema 1. Šematski prikaz naučnih disciplina u biotehnologiji
Izostavljeno iz prikaza
Danas je prisutno obilno, raznovrsno i zadovoljavajuće snabdevanje hranom, koja je proizvod uspešnog gajenja poljoprivredno značajnih biljnih i životinjskih vrsta. To je rezultat intezivnog rada na selekciji novih biljnih i životinjskih vrsta sa većim prinosom i kvalitetom. Tako napr., ukoliko jedna sorta paradajza daje veći prinos, a druga ima veću hranjivu vrednost, onda se odabiraju ove dve sorte kao roditelji, koji će dati veći prinos i bolje hranjive vrednosti. Različite biljne vrste u ratarskoj, povrtarskoj i voćarskoj proizvodnji su rezultat genetske manipulacije zahvaljući njihovoj velikoj raznovrsnosti, kao i genetskoj varijabilnosti. Ova raznovrsnost se u većini slučajeva može smatrati rezultatom Ijudske intervencije, što se potkrepljuje mnoštvom primera. Tako klip današnjeg kukuruza sadrži seme koje biljka proizvodi da bi omogućila sledeću generaciju. Kukuruz se znatno razlikuje od svojih predaka, potiče od biljke (Tripsacum) koja uopšte nije ni nalik današnjem kukuruzu, a više liči na neku vrstu trave sa dugačkim tankim listovima. Osnovna razlika između ove dve biljke je u tome, što je današnji kukuruz ima više klipova na jednoj stabljici u odnosu na njegovog pretka koji je imao samo jedan klip na vrhu stabljike. Dok Tripsacum proizvodi 10 ili 20 semenki po biljci, moderan hibrid kukuruza će proizvesti nekoliko klipova sa 1000 zrna. Pored toga, seme Tripsacum ima znatno manju hranjivu vrednost.
Uticaj genetskih poboljšanja na produktivnost mogu se ilustrovati primerom iz ne tako davne prošlosti. Oko 1930. godine farmeri u SAD su trebali 3379 miliona jutara da bi ishranili oko 100 miliona Ijudi. Do 1984. godine obrađivano je samo 312 miliona jutara da bi se ishranila 2,5 puta veća populacija. Selekcija je ovom povećanju produktivnosti dala glavni doprinos. Međutim, klasična selekcija oduzima mnogo vremena, a selekcionar nema potpunu kontrolu nad ishodom.
Još jedan primer Ijudske intervencije u tom pravcu je primenjen i na povrću kao što je brokokarfiol. Potiče iz ukrštanja brokolija i karfiola. Nakon godina strpljive selekcije, dobijen je brokokarfiol koji ima neke karakteristike brokolija, a neke karfiola. Ovo je poznato kao ukrštanje među vrstama, koje nije prisutno u prirodi.
Biotehnologija je prisutna već dugo, a znači korišćenje organizama da izvedu neki zadatak ili funkciju. U to se uključuju i procesi proizvodnje vina, piva, sira i jogurta uključuju primenu bakterija ili kvasca da bi se prirodan proizvod, kao što su to mleko ili sok od grožđa pretvorili u željeniji fermentirani proizvod. Genetički inžinjering odnosi se na intervenciju u procesu genetske razmene između organizama. Po ovoj definiciji, Ijudi su genetski izmenjivali svoju hranu tokom hiljada godina, a to su radile i pčele! Međutim, metodi razmene gena u biljkama i životinjama, bili su ograničeni na unutrašnju razmenu između veoma bliskih srodnika, a izvođena je pažljivim rukama i očima selekcionera. Sa novim tehnologijama, metodi su precizniji i tzv. ”molekularni selekcioner” može da kontroliše koji se podatak razmenjuje i iz kog izvora podatak dolazi.
Primer klasične i savremene biotehnologije je sir. Klasičnom tehnologijom koagulacija sira se dobija upotrebom sirila dobijenog iz sirišta teleta, i oko 50-60% domaćeg sira dobija se i danas na taj način. Međutim u industriji se koristi sirilo-renin dobijeno primenom genetskog inžtnjeringa na bakterijama, u čiji genom je ubačena informacija-koja omogućava bakteriji da proizvodi renin. Drugi proizvod na tržištu je Flavr SavrTM ili Endless Summer TM paradajz, koji je namenjen za isporuku ukusnijeg paradajza, manje kvarIjivog.
Genetski inženjermg nije našao primenu samo u proizvodnji hrane, nego i u oblasti humane medicine. Značajne prednosti u medicinskim dijagnozama za AIDS, hepatitis i genetska obolenja i terapije, nove lekove za povišen krvni pritisak i neurološka obolenja itd. Doprinosi ove tehnologije našli su primenu i kriminalistici analizom DNK. Mnogi uključeni u oblast biotehnologije veruju da će se u svetu uticaj osetiti, pre u poljoprivredi, nego u zdravstvu, i to najviše u biljnoj proizvodnji.
Jedan od primera je i ‘’sintetičko seme”, a to su klijali embrioni upakovani u supstancu nalik na žele koja sadrži đubriva, fungicide i insekticide. Ovakvo seme ima prednost u odnosu na konvencionalno, a poljoprivrednici plaćajti vtsoku cenu za njega, jer značajno redukuje upotrebu đubriva, pesticida i herbicida. Rane sorte paradajza bile su veoma osetljive na štete od nematoda. Još davne 1941. godine, otkrivene su vrste dalekih srodnika zelenog ploda koje su imale visok stepen otpornosti, koje su korišćene u selekciji otpornih sorti sa pozitivnim komercijalnim karakteristikama, a to je trajalo oko 40 godina. Selekcija paradajza, primenom hromovomske mape, stvaranje otpornih sorti na nematode sada traje 2-3 godine.
Ima relativno novih otkrića, iako u toku vremena već poznatih, da se od biljka mogu dobiti lekovi. Nazvani etnobotanika, ovi pristupi često sadrže pokušaje da se razume osnova narodne medicine, što je dovelo do identifikacije širokog spektra novih lekova. Najupečatljiviji primer biljnog leka je taksol, sekundarni produkt biljke iz vrste, Pacific Yew, za koji je utvrđeno da je efikasan protiv određenih vrsta karcinoma. Za sada sintetička proizvodnja ovog leka nije isplativa, a zalihe koje postoje su proizvedene ekstrakovanjem taksola iz kore ili bodlji Pacific Yew. Od skora se tkivo ove biljke uzgaja u laboratorijama (kultura tkiva) za proizvodnju taksola u većim količinama.
Drugo područje koje je od nedavno interesantno odnosi se na fitohemikalije. To su različita prirodnna jedinjenja, za koja se tek od nedavno zna da daju potencijalnu zaštitu protiv određenih tipova obolenja. Ove hemikalije su istražene, zbog velikog broja informacija koje ukazuju da ishrana veoma bogata povrćem, voćem, žitaricama i orasima smanjuje stopu obolevanja od nekih bolesti. Ovo se ne odnosi na hranjive sastojke per sem masnoće, vitamine, sadržaj vlakana ili minerala, nego na manje poznata jedinjenja biljaka. Najpoznatiji primer bi mogao da bude beta-karotin, antioksidant koji štiti ćelije od šteta koje izazivaju slobodni radikali, a u velikim količinama se nalazi u povrću kao što je to šargarepa. Drugi primer je brokoli koji sadrži nekoliko identifikovanih hemikalija. Vrednost većine ovih fitohemikalija je dokazana u laboratorijskim testovima, kao što je to onaj u kome su pacovi hranjeni hemikalijom koja izaziva ekvivalent raku dojki, a hranjenjem pacova kriškama kupus ili brokolija u isto vreme, sprečeno je širenje raka. Postoji niz drugih primera prirodnih jedinjenja u biljkama koja izgleda imaju farmaceutske efekte, koji uključuju smanjivanje upalnih procesa, smanjenje holesterola u krvi, sprečavanja zgrušnjavanja krvi i osteroporoze, i stimulisanja imunog sistema.
Oblast od posebnog interesa, a koja obećava je zaštita bilja od štetnih organizama, u kojoj je u proteklih nekoliko decenija postignut napredak kroz hemijske mere zaštite ─ pesticide i fungicide. Zbog njihove štetnosti mnoge od ovih hemikalija su ili povučene sa tržišta ili je njihova primena drastično redukovana. Sada poljoprivredni proizvođači traže nove metode zaštite u kojima bi biotehnologija mogla da obezbediti efikasnu alternativu, koja se može primenjivati sama ili zajedno sa drugim pristupima.
Mnoge biljke su u prirodi razvile mehanizme da se odbrane od parazitnih gljivica i bakterija. Strategije genetskog inžinjeringa koje se sada ispituju pokušavaju da istraže ove mehanizme identifikovanjem produkata koje biljke prirodno stvaraju tokom napada, tzv. prirodna biljna odbrambena jedinjenja. Ne bi trebalo zaboraviti da biljke proizvode mnoge prirodne toksine, koje primenjuju u odbrani. U mnogim slučajevima ova jedinjenja se mogu izgubiti u procesu selekcije. Primenom genetskog inženjeringa dobijen je krompir otporan na Verticullum dahliae, prouzrokovač obolenja kovrdžavosti lista. U ovom slučaju otpornost potiče iz gena izolovanog iz drugog organizma koji je otporan na Verticullum. U drugom primeru, biljke duvana, kao model sistem, izmenjene su genetičkim inžinjeringom da budu otporne na gljivične agense koji prouzrokuju obolenje. U ovom slučaju je gen koji je već prisutan u biljkama, proizveden je u većim količinama. Divlji srodnici često nose više gena otpornosti, kao što je sličaj sa paradaizom čiji divlji srodnik ima 32 gena otpornosti. Mnogi od gena koji su uključeni u selekciju na otpornost izolovani su i opisani. Na ovaj način, divlje vrste nude široku lepezu mogućih strategija otpornosti. Postoje mogućnosti da se kroz molekularne tehnologije omoguće prirodno pojavljivanje ovih zaštitnih biljnih jedinjenjima u velikim količinama, u različitim vremenima ili u različitim tkivima.
Postoji značajno bakterijsko obolenje paradajza koje prouzrokuje Pseudomonas syringae pv. Identifikovani su prirodni geni otpornosti u paradajzu, te su genetičkim inžinjeringom selekcionisane otpome linije paradajza.
Virusna obolenja i štete koje prouzrokuju procenjuje se da u proseku čine oko 20 procenata svih gubitaka u usevima povrća. Jedan način zaštite biljaka kroz genetički inžinjering čini primena gena tzv. „omotača proteina” iz virusa. Ova strategija je primenjena u zaštiti dinja i lubenica od nekoliko virusa. čija oboljenja mogu prouzrokovati 60-70% gubitaka. Ovim pristupom se jedan gen iz virusa unese u biljni genom, sprečavajući time virus da se razmnožava i prouzrokuje simptome obolenja, štetu ploda i gubitak useva. Slični rezultati, primenom istog metoda dobijeni su kod različitih biljnih vrsta za različite viruse. Na primer: X i Y virus kod krompira i paradajza, CMV (mozaik virusa krastavca), i šećerne repe. Ali, zaštita koja je postignuta ovom strategijom je često veoma specifična za određeni virus, a radi se na različitim molekularnim strategijama koje će proširiti stepen zaštite na širi spektar virusa.
Postoje biljke stvorene genetičkim inžinjeringom sa otpornošću na insekate. Posebna strategija sadrži unošenje insekticidnog jedinjenja koje je nađeno u zemljišnoj bakteriji, Bacillus thuringiensis u biljke. Takozvani ”Bt pristup” sadrži unošenje u biljke gena bakterije za insekticidno jedinjenje koje omogućava biljci da se odupre napadu štetočina. Međutim, genetskim inžinjeringom dobijene su biljke koje imaju sposobnost da sintetišu insekticidno jedinjenje. Ova strategija je unesena u brojne vrste useva, kao što su to kukuruz, jara uljana repica, paradajz, orah i kako se u narednom primeru pokazalo sa pamukom. Dodatak samo ovog gena štiti pamuk protiv napada Heliothis sp. Otprilike 40% pesticida koji se koriste u SAD su primenjeni za pamuk i procenjeno je da će unošenje ovog gena redukovati primenu pesticida za oko 10-20%. Sorta nazvana BollGardTm i odobrena za prodaju u SAD krajem 1995. Od veće koristi za uzgajivače pamuka u SAD biće kasnije faze Bt strategija koje će biti usmerene na suzbijanje pregalja.
Nematode su deo kompleksnog problema korena paradajza (u ovom primeru Meloidogyne spp.) i mnogih drugih biljnih vrsta. Procenjeno je da šteta širom sveta iznosi preko 100 biliona USD u poljoprivrednim gubicima koji nastaju zbog ovih štetočina. Ima nekih izvora prirodne otpornosti na nematode i selekcioneri su često bili u mogućnosti da prenesu gene otpornosti iz divljih u gajene vrste. Ova otpornost je često nekompletna ili je nije nemoguće preneti bez unošenja dmgih neželjenih, vezanih karakteristika. Prisutni su pokušaji istraživača da kloniranjem gena stvore otporno.st paradajza prema nematodama.
Bakterije su takođe izmenjene genetskim inžinjeringom sa novom informacijom iz mikroorganizama koji žive u crevima crva. Kao takve mogu da pretvore sekundarne sirovine iz poljoprivrede, papirne industrije, novina, stabljike kukuruza i papirnu pulpu u jeftini etanol.
Drugo područje potencijalne primene u zaštiti spoljašnje sredine je čišćenje zemljišta od metala i zagađivača. Ovakva vrsta čišćenja u svetu će imati veliku primenu. Bakterije i biljke mogu biti genetski izmenjene da koncetrišu ove metale pri visokim nivoima i tada metali mogu biti otklonjeni tako što ih biljke ili bakterije rastvore. Postoje i biljke koje se nalaze u prirodi koje mogu da akumuliraju selen iz vode u rezervoarima u rafinerijama i tada otpuštaju selen u gasnom obliku u atmosferu. Strategije genetskog inžinjeringa se koriste da bi se poboljšala efikasnost ovog procesa.
Istraživanja genetskog inžinjeringa usmerene su ka poboljšanju kvaliteta voća i povrća. Prvi primer je produžen vek trajanja. Procenjeno je da 40-60% svog voća i povrća istrune pre zbog kratkog roka trajanja. U tom smislu produžen je vek trajanja paradajza do 100 dana, a istraživanja su usmerena i na ostalo povrće i voće. Drugi aspekt o kome se sada raspravlja, a koji je važan i za tržište svežeg povrća i za proizvodnju paradajza je istovremeno zrenje.
Žitarice su takođe izmenjene genetskim inžinjeringom, u pravcu veće hranjive vrednosti kroz esencijalne amino kiseline. Pirinač izaziva alergije kod dece u Kini, te su naučnici koji su identifikovali i isključili produkte u pirinču koji izazivaju alergiju. Selekcionisane su sorte pirinča sa redukovanim nivoima alergena.
Druga primena genetičkog inžinjeringa je u cilju povećanja sadržaja skroba u krompiru. Ovo je postignuto promenom količine jednog prirodnog enzima u krompiru koji ograničava sintezu skroba. U genetski izmenjenom krompiru sadržaj skroba je povećan za oko 20%. Strategije genetskog inžinjeringa u krompiru razvijene su i da se smanji nivo povreda i nivo prirodnih toksina nazvanih glukoalkaloidi koji su prisutni u krompiru.
Metodama genetičkog inžinjeringa se proizvode i specijalna ulja. Ova modifikovana ulja su izmenjena unošenjem enzima koji prouzrokuje jednu promenu u modelu povezivanja masnih kiselina. Ova promena čini ulja stabilnijima na visokim temperaturama kuvanja i omogućiće proizvodnju zdravijih, ulja sa manjim sadržajem masnoće koja mogu da podnesu više temperature kuvanja, koje su potrebne za duboko zamrzavanje.
Primena tehnologije rekombinovanja korišćena je da bi se stvorile poboljšane vakcine za stoku. Kod životinja imamo i potencijalnu primenu rekombinovane DNK tehnologije za mapiranje genoma što olakšava klasičnu selekciju.
Nove sorte ukrasnog cveća dobijene su kroz izmenu jednog gena, kao što su to petunije raznih boja. Isključenje gena koji prouzrokuju starenje biljaka može se produžiti trajnost cveća, kao kod karanfila. Biljke se mogu koristiti da bi se napravili proizvodi kao što su industrijska ulja i hemikalije, prirodni zaslađivači sa malo kalorija, lekovi, pa čak i ”biljna teia”, potencijalna zamena za Ijudska antitela.
Za očekivanje je da će proizvodi genetskog inžinjeringa imati glavni uticaj u poljoprivredi. Neke od ovih modifikacija potiču od modifikacije gena koji su već prisutni u biljkama, kao što je to povećana proizvodnja prirodnih biljnih zaštitnih jedinjenja, ili otklanjanja određenih gena, kao što su to oni koji dovode do dužeg trajanja ploda i povrća. Druge zahtevaju unošenje gena iz drugih izvora, kao što su to oni za zaštitu od insekata i određenih vrsta gljivica i bakterija. Neki od ovih uticaja će biti vidljiviji pre od drugih, međutim, svi imaju značajan ekonomski uticaj na poljoprivredu.
Genetski inžinjering neće biti svemoguć i rešiti sve probleme u poljoprivredi, ali će se koristiti sa drugim modernim i klasičnim poljopnvrednim metodama, da bi se izašlo u susret izazovima poljoprivrede u 21 veku. Biljke modifikovane molekulamom selekcijom bi trebalo i biće deo strategija, koje će omogućiti poljoprivredi u svetu da ostane produktivna i ishrani rastuću svetsku populaciju.