Novi trendovi u biotehnologiji

Transcription

1 Novi trendovi u biotehnologiji Martina Newell-McGloughlin Direktor, University of California Systemwide Biotechnology Research and Education Program (UCBREP) Rad: Nutritional and Safety Assessments of Foods and Feeds Nutritionally Improved through Biotechnology: Newell McGloughlin, Plant Physiology, July

2 Površine u Realnost Visok prinos, dostupnost, hrana, stočna hrana i gorivo visokog kvaliteta uz minimalna ulaganja 17% obraďivanog zemljišta je degradiralo usled ljudske aktivnosti od do Poljoprivredno zemljište se smanjuje za ha godišnje. (Svetska banka) Bez povećanja prinosa upotreba zemljišta će se udvostručiti do Latinska Amerika: najveće povećanje prinosa uz manju upotrebu zemljišta (manja seča šuma) Visok prinos štednja zemljišta bolji nego divljina -prijateljska poljoprivreda uz neefikasno korištenje zemljišta (Green, Royal Soc. Bird Protection 2005) Ako EU nastavi sa tehnologijom 19. veka, mladi naučnici će otići. Ako EU angažuje racionalnu, harmonizovanu regulatornu mrežu podstaći će bržu meďunarodnu difuziju tehnologije. EU Komisija treba da preduzme hitne mere da izbegne negativan uticaj na proizvodnju stoke i celokupnu poljoprivredu EU ".

3 Poljoprivreda: Istorijat tehnologije 8,000 BC 19. vek Rani 20. vek Sred 20. vek 1930-te 1940-te 1950-te 1970-te te 2000-ta 21. vek Gajenje Selektivna ukrštanja Kultura ćelije Somaklonalna varijabilnost Embryo rescue Mutageneza i selekcija Kultura antera Rekombinanatna DNK Marker asistirana selekcija ---omike - Bioinformatika Epigenetika/RNKi/Paramutacije Adaptivna tehnologija/transgenomika Biologija sistema

4

5 Šanse/Izazovi za biotek useve Value Agronomska svojstva $30bil Biotički- štetočine/bolesti/korovi/ Abiotički stres: suša, zaslanjenost, specifična zemljišta Prinos CO 2 Obnovljivi izvori Konverzija biomase, stočna hrana, biogoriva, fitoremedijacija Zabrinutost zbog upotrebe zemljišta/vode višegodišnje vrste: Drveće Biljke kao fabrike Farmaceutske sirovine/ Industrijski proizvodi (Ventria Pirinač Laktoferin Lizozim 30% dijareja, oporavak 3/6 dana, Zabrinutost zbog mešanja, prenošenja gena Osobine kvaliteta - ($210bil do 2015.) Poboljšana svojstva nakon žetve Dužina čuvanja, prerada, ukus Poboljšana ishrana poboljšana funkcionalnost Makro: proteini, ulja, CH, vlakna Mikro: Vitamini, minerali, Fitohemikalije Antioksidanti Ukloniti antinutrijente/alergene/ toksine

6 2009., 14 M farmera 134 M ha biotek useva u 25 zemalja, 13,3 M farmera/125 M ha (7%) u /14 M (90 %) siromašnim nerazvijenim zemljama (LDC). 46% globalnih površina pod biotek usevima LDC- Ukupno 57 zemalja ima zakonski odobrene biotek useve. 6 EU posejano ha u 2009., smanjenje sa 7 i ha 2008., Nemačka odustala. Španija posejala 80% Bt kukuruza zadržala rekordno prihvatanje 22%. Source: ISAAA

7 Uticaj na životnu sredinu $44 bil do 2007., 44% povećanje prinosa, 56% smanjenje troškova (uključujući t a.m. pesticida); za povećanje od 41 mil tona, bilo bi potrebno dodatnih 43 M ha Uticaj pesticida na životnu sredinu smanjen za 15,4%. Globalno smanjenje od 286 mil kg emisije CO 2 jednako uklanjanju 6 M kola sa puteva (Barfoot i Brookes 2008.) Dodatni ugljenik zadržan u zemljištu od je jednak mil tona CO 2 koji nije osloboďen u globalnu atmosferu. U farmeri su trošili $78 /ha na herbicide; danas oni troše $37/ha i upotreba pesticida je smanjena 90%. HT- povećanje no-till obrade: smanjenje erozije, zemljišta mnogo zdravija, organska materija, manje sabijanje zemljišta, bolje korišćenje H 2 O, upotreba goriva smanjena za 20 galona/akru (Fawcett i Towery )

8

9 Kina: Bt pirinač ima potencijal da poveća prinose do 8 procenata, smanji upotrebu pesticida za 80 procenata (17 kg/ha) i stvori godišnju dobit od US$4 bil (James, 2010.). Značajno smanjenje negativnih uticaja na zdravlje Sačuvani životi Organizmi u poljima sa Bt usevima su prolazili bolje u ogledima u odnosu na one sa insekticidima povećanje broja Monarh leptirova (Marvier, 2007.) BT kukuruz 90% smanjenja mikotoksina i gljivičnih fumonizina ukupna godišnja dobit u SAD procenjena na $23 mil. (Wu, 2006.) Origin Agritech China takoďe odobrio Fitaza kukuruz (2009.) CP papaja je spasila industriju papaje na Havajima (i pomogla proizvoďačima organske hrane!) može biti rešenje za šarku C5 PTGS obezbeďenje protiv nosilaca klica tifusa u jaslicama Krompir otporan prema Phytophtora (BASF -Rpi-blb1 i Rpiblb2 NBS-LRR) - Studija Univerziteta u Ilinoisu pokazala da bi za glavne regione proizvodnje krompira u svetu bila $4,3 bil. ISAAA očekuje da će broj biotek farmera globalno dostići 20 miliona ili više u 40 zemalja na 200 miliona ha za samo malo više od pet godina - u 2015.

10 Dva osvojena još jedan ostao Španija: farmer Jose Victor Nogues Većina ljudi može da ceni veliku korist i nedostatak negativnih efekata Uvođenje GM kukuruza je definitinvno bio korak napred forward Farmeri koji gaje Bt kukuruz zarađuju oko $85 više po akru ISAAA (2007.), dok u isto vreme proizvode zdraviju hranu za stoku koja je bolja za životnu sredinu. Francuska: Thierry de l'escaille, European Landowners' Organization, - široko prihvatanje ova tri biotek useva u Evropi bi moglo značajno da poveća godišnju proizvodnju, poveća prihod farmera za više od 1 bil eura i smanji prskanje. Sa rezultatima kao što su ovi, lako je razumeti zašto farmeri žele pristup tehnologiji kao što je ova," rekao je l'escaille Sarkozy je rekao mais non! Rumunija: Farmeri iz Buzdugan su prijavili povećanje premija za 10 procenata za biotek soju zbog manje nečistoća od korova. Prosečna dobit po ceni 2%. Dobit u proizvodnji K M tona (16-19% ) Povećanje zarade 35 miliona i 62,4 miliona evra (2004.). Mogu vam reći da su farmeri koji gaje soju u Rumuniji veoma zainteresovani za biotek seme," Iako je seme skuplje za 10 do 15 procenata, povećanje prihoda opravdava ekstra trošak Sada je EU ne GM soja!

11 Tehologija Genuity SmartStax kukuruza Drugi ključni dogaďaji odobravanje SmartStax, novog biotek kukuruza, 8 različitih gena za otpornost prema insektima i herbicidima SmartStax štiti useve od glavnih štetočina kukuruza, uključujući evropskog i jugozapadnog kukuruznog moljca, dijabrotike, povrtne sovice, sovice ipsilon, gusenica Helicoverpa zea i Spodoptera frugiperda. SmartStax takoďe obezbeďuje otpornost na glifozate i glifozinate. Poljski ogledi Dow AgroSciences u su potvrdili da SmartStax pruža širi spektar zaštite od insekata kod hibrida kukuruza..

12 Genuity SmartStax Corn technology -- Kontrola insekata iznad zemlje: Dow-ova Herculex I tehnologija sa Monsantovom tehnologijom druge generacije kontrole lepidoptera uz pomoć dva gena, nazvanom YieldGard VT PRO, SmartStax će obezbediti zaštitu od evropskog i jugozapadnog kukuruznog moljca, dijabrotike, povrtne sovice, sovice ipsilon, gusenica Helicoverpa zea i Spodoptera frugiperda; -- Kontrola zemljišnih insekata: Kombinovanje tehnologije Dow AgroScience Herculex RW i tehnologije Monsanta YieldGard VT Rootworm/RR2, SmartStax će obezbedtiti zaštitu od dijabrotike; i, -- Kontrola korova: Monsantova tehnologija Roundup Ready 2 sa Liberty Link tolerantnošću prema herbicidima, SmartStax će pružiti širok spektar kontrole korova i trava sa opcijom delovanja na dva načina. - Od EPA je traženo da razmotri smanjivanje zaštitnog pojasa zbog dva različita načina delovanja širi spektar kontrole i smanjena verovatnoća da će ciljni organizmi razviti otpornost

13 Roundup Ready 2 Yield Roundup Ready 2 Yield soja prvi proizvod nove tehnologije koja omogućava efikasnije i preciznije unošenje gena radi direktnog uticanja na prinos. Unakrsno licenciranje Monsanto Syngenta Četvorogodišnji poljski ogledi u 6 država SAD su pokazali 7 do 11% veće prinose u odnosu na RR soju prve generacije. Roundup Ready 2 Yield je za mene bila veoma dobra prošle godine, rekao je Jeff Barth, farmer iz Ilinoisa. Posejana je kasno i ipak je dala pet do šest bušela više od RR soje prve generacije koja je posejana ranije. Očekujem slične rezultate ove godine, zato ću na mojoj površini od akri namenjenu za gajenje soje sejati ovaj proizvod kada postane dostupan. Ovo je druga godina kako Barth gaji Roundup Ready 2 Yield soju.

14 Prirodni i drugi geni za otpornost Korenske nematodes R kod paradajza (Mi) i (afide). Alternativa fumigaciji (Williamson UC Davis) Xa21 R gen pirinča pruža otpornost prema nekoliko Xoo. Odbrambeni odgovor se pokreće uz pomoć Xo molekula, AvrXa21. Trensgene biljke otpornije zbog broja kopija (Ronald) Upotreba inhibicije aptoze da bi se zaštitile biljke od štete od mikotoksina (Gilchrist, UC Davis) Sclerotinia-otporan suncokret oksalat oksidaza Pioneer pšenica Zinc Fingers Dow/Sangamo

15 Faktori abiotičkiog stresa koji ograničavaju dostizanje genetskog potencijala useva Abiotički stres: Suša, Hladnoća, Toplota, Zaslanjenost Poboljšano čuvanje vode Manji gubitci prinosa Veći prinosi na svim površinama kroz poboljšanu upotrebu vode Širenje u sušna područja BASF kukuruz tolerantan na sušu 12 bušela više po hektaru

16 Faktori abiotičkiog stresa koji ograničavaju dostizanje genetskog potencijala useva Poboljšano čuvanje vode -Manje gubitaka useva -Veći prinosi na svim površinama usled poboljšanog korišćenja vode -Širenje u sušna područja - Y B podjedinica faktora jedra Faktor transkripcije(tf) DREB2A reaguje na vodni stres/reaguje na stres usled suše Homeodomain-leucine zipper (HD-Zip) faktori transkripcije reaguju na osmotski i vodni stres, egzogena abscisinska kiselina Hladnoća: Inženjering sa COR15a Tf, uloga u tolerantnosti prema smrzavanju. Biljke modifikovane sa holin oksidazom (coda) tolerantnost prema zaslanjenom zemljištu i hladnoći Transportni proteini. Rast i plodovi čak i pri navodnjavanju vodom koja je > 50X zaslanjenija od normalne. > 1/3 zaslanjenosti morske vode. (Blumwald i Zhang) Abiotički stres: Suša, Hladnoća, Toplota, Zaslanjenost Kontrola Pirinač izložen suši + Gen D Kontrola + Gen E

17 Abiotic stress limiting factor for crops reaching genetic potential Uljana repica otporna prema suši modifikovana da snizi nivo PARP [poli(adp-ribozo) polimeraza], ključnog proteina vazanog za stres kod biljaka. Preživljavanje suše u odnosu na referentne biljke. Relativni porast prinosa do +44% u odnosu na varijetete koji nisu tolerantni prema suši. Bayer CropScience radi istraživanja na kukuruzu, pamuku, uljanoj repici i pirinču, da bi razvili novu generaciju varijeteta tolerantnih na stres sa visokim prinosom. Mutacija koja menja aktivnost farneziltransferaze. Pioneer Hi-Bred International razvija hibride i varijetete koji efikasnije koriste izvore vode i samim tim bolje preživljavaju u uslovima deficita vode. Održavanje prinosa tokom vodnog stresa će pomoći očuvanju prihoda farmera i daće više dobitka za lanac vrednosti energije i hrane, a smanjiće i potrebu za navodnjavanjem.

18 Povećani prinosi - Poboljšanje asimilacije azota - Povećanje hidrolize saharoze, biosinteze skorba - Povećanje pristupačnosti O 2 - Modifikovanje fotosinteze Gen za prinos Kontrola Krmno bilje: Ova biljka sirka kratkog dana je korišćena za mapiranje Ma-1 gena (geni koji modifikuju fotoperiodsko ponašanje i samim tim i sazrevanje). Ovaj gen koji funkcioniše u drugim cerealijama će biti posebno koristan za useve za biomasu i krmno bilje kod kojih je cvetanje nepoželjno.

19 Efikasnost upotrebe azota (NUE) 30% manje primenjenog N Ďubriva Azotno Ďubrivo je odgovorno za jednu trećinu gasova staklene bašte proizvedenih u poljoprivredi Azot oksid ima 300 puta veći potencijal zagrevanja od ugljen dioksida. Farmeri troše $60 bill godišnje za 150 miliona tona Ďubriva (Stern Review 2006). Arkadijine biljke sa efikasnom upotrebom azota (NUE) sa prinosima ekvivalentnim sa prinosima konvencionalnih varijeteta ali koje zahtevaju značajno manje azotnog Ďubriva pošto ga efikasnije koriste Ova tehnologija ima potencijal da smanji količinu azotnog Ďubriva koje farmeri izgube zbog isparavanja i curenja u zemljište i vodene tokove. Pored pritiska okoline, troškovi azota mogu činiti značajan udeo troškova inputa farmera i mogu značajno uticati na profitabilnost farmera. Licencirali svoju tehnologiju DuPont-u za upotrebu kod kukuruza i Monsantu za uljanu repicu.

20 Biogoriva Nerazvijene zemlje 30 % globalne energije. Rast izazvan populacijom i ekonomijom. Od 47 najsiromašnijih zemalja u svetu, 38 su neto uvoznici goriva, a 25 uvoze sve gorivo, trošeći dobar deo nacionalnih prihoda da bi ga platili. Izazov: 5-10 puta efikasnije $5/gal c/gal Konverzija biomase: Organski polimeri, lignin, skrob celuloza konvertovani u etanol; hemiceluloza hidrolizovana u šećere, ksilozu, glukozu. Modifikovanje biljaka i algi da bi se poboljšala enzimatska konverzija. Modifikovanje enzima da bi se poboljšala konverzija i fermentacija Kukuruz druge cerealije, divlje proso, slonovska trava topole Biodizel je biorazgradljiv i netoksičan alkil estri dobijeni transesterifikacijom biljnih ulja ili životinjskih masti. (60% manje CO 2 ) Uljana repica, Botryococcus braunii (Bb) koloidne mikroalge Nedoumice: Razmena hrane Efikasnost proizvodnje Ekološki uticaj

21 Poboljšana hranljiva vrednost Mnoge gajene vrste koje se koriste za ishranu ljudi i životinja nisu savršene za nutritivne potrebe ljudi i životinja. Proteini: Kukuruz, pšenica, slatki kormpir i kasava WHO: 800 miliona ljudi pati zbog loše ishrane, loša ishrana protein-energija (PEM), najsmrtonosniji oblik, pogađa 1 od 4 deteta: 70% živi u Aziji, 26% Africi, 4% Latinskoj Americi, Karibima Zrna sa niskim sadržajem lizina hrana nerazvijenih zemalja Sledovanja hrane za stoku/zagađenje Kukuruz sa visokim sadržajem lizina: Koristi enzim bez povratne informacije (5X ppm) Modifikovan put asimilacije N GDH povećanje proteina 12% SRP nealergeni albumin amarantusa za krompir Visoki proteini: Citokinin spašavanje cvet par zrna fuzionisano jedno zrno dva embriona visoki proteini/ulje niski CH NAC Tfs (NAM) starenje i remobilizacija nutrijenata iz listova u zrno, RNKi odlaže starenje 30% protein, Zn, Fe Veštački proteini ASP-1-slatki krompir povećanje proteina 67% (EAA 80%)

22 Poboljšana hranljiva vrednost Ugljeni hidrati Almiloza sa visokim skrobom (otporni skrob) inhibira 2 SBE Uloga sorbitola u metabolizmu voća i utiče na osobine kvaliteta i odnos šećeri-kiseline i akumulaciju skroba Puroindolin geni pšenice u pirinču skrob/brašno Vlakna Povećanje kod ljudi Polimeri, inulini, frukto-oligosaharidi (FOS) SC Fruktani ukus saharoze: Zdravlje trakta GI fermentisani crevni bifidobacteria (bori se sa patogenim bakterijama) SC Masne kiseline protiv raka/ inhibiraju HMG-CoAR manje LDL SC fruktani 1-SST čičoka. Konvertovano 90% saharoze fruktanske repe (Koops, 2000) Krompir sintetiše ceo spektar inulina iz rizoma okruglih korenova artičoke Lignani: enterodiol/lakton zavistan od estrogena rak Vlakna krmnih biljaka Smanjenje kod životinja Braon glavni lisni nerv (COMT) Smanjen lignin povećana svarljivost bolja konverzija hrane, stoka je više voli (Sorghum)

23 Poboljšana hranljiva vrednost Ulja i masne kiseline Menjanje dužine lanca i nivo zasićenosti Novi geni za proizvodnju neobičnih masnih kiselina kod uljanih biljaka Mono nezasićene masne kiseline: Visoka oleinska kiselina: stabilnija nego poli nezasićene masne kiseline otporna na toplotu/oksidaciju, malo ili bez postrafinacije (hidrogenizacija): AS oleat desaturaza soja je dala >80% oleinske kiseline (23%), Manje zasićenih masti mleko/meso životinja Trigliceridi srednjeg lanca: lekovita hrana, ergogenične kiseline. Acil-ACPT uljana repica, povećanje kaprične (C10) i kaprilične (C8) Visok-CLA: Antioksidacija- slobodni radikali bolesti srca/rak Omega -3 DHA-EPA Riblje ulje CV/tromboza/ Rak/ Artritis/ Kognitivne/Mentalne/ premije - D6 desaturaza: Uljana repica/soja prekursor SDA 3.6X ALA u stvaranju EPA Gama linolna kiselina ulje šafranjike (C18:3n-6) protivupalni efekat, poboljšano zdravlje kože i održavanje gubitka težine Sitostanol: fitosterol fosfolipid Blokira holesterol

24 Poboljšana hranljiva vrednost Introduced enzyme (daffodil) (maize) (bacteria) (daffodil) Mikro nutrijenti Vitamini/ minerali: Vit A Zlatni pirinač II b-karoten-pirinač 25X (CBP) Bio pojačano brašno kasave- Poljski ogled Nigerija (Sayre) Vit B Folat povećanje u pirinču (nedostatak u trudnoći) Vit E a-tokoferol g-tmt; povećanje vit C kukuruz DHAR Minerali: Feritin (S protein pasulja), Metalotionein (Pirinač, pšenica). Ca/anti prenosnik protona (scax) transport Ca u vakuole. Šargarepa ojačana sa Ca poboljšana absorpcija. Multivitaminski kukuruz Kombinatorična direktna transformacija DNK brzo stvaranje multikompleksnih metaboličkih puteva Preneseno 5 konstrukata kontrolisanih različitim promotorima specifičnim za endosperm u beli kukuruz. Različite kombinacije enzima pokazuju različite metaboličke fenotipove rezultirajući u 169X beta karoten (60 mg/g naprema 14 oplemenjivanjem) 6X vitamina C, i 2X folata (Christou, 2009.)

25 Poboljšana hranljiva vrednost Funkcionalne komponente efekti veći od same vrednosti nutrijenta Fitohemikalije: Karotenoidi: Zlatni pirinač, slatki kropmir - (vid, razvoj) Likopen: poliamin paradajz (smanjenje LDL, rak) Izoflavonei: genistein i daidzein, inhibitor tirozin kinaze Fenoli: resveratrol antioksidant Sirtuini (protiv starenja) Flavanoli: Katehini, Flavoni: kvercetin (manje dodataka) Anti-nutrijenti: Tripsin inhibitori; oksalna kiselina; furani; Fitat, Bio dostupnost Fosfat, divalentni joni: Fitaze (Pirinač, lucerka) Alergeni: soja uklanjanje P34; kikiriki; digestija glutena Toksini: Glikoalkaloidi (krompir) AS solanin Cijanogenični glukozid (kasava) hidroksinitril liaza Nedoumice: Visoki nivoi, Novi proteini, metaboliti (pleiotropni efekti) Povećana osetljivost prema patogenima

26 Upravljanje rizikom Otpornost na antibiotike (primećena nije naučna) Obeležavanje transpozona Pozitivna selekcija ograničavajući izvor energije Protok gena- Prostor Muška sterilnost Terminator tehnologija Transformacija hloroplasta Nedostatak specifičnosti pleiotropini efekti (očekivani, neočekivani) Rekombinacija na specifičnom mestu Cre-Lox Uticaj na neciljne vrste Ekspresija u odreďenom tkivu Transformacija hloroplasta Gubitak efektivnosti upravljanje otpornošću Zaštitni pojas Gomilanje gena, Nagomilavanje gena, Mešanje gena Smanjen diverzitet Više izvora genetskog diverziteta spašavanje starih varijeteta i lokalnih populacija Nove životinje Bezbednost hrane, potencijal da postanu divlje Fizička i biološka izolacija

27 Saradnja ima efekta Organsko polje plavog kukuruza blizu žutog neorganskog polja Fred Yoder Ohajo Biotek kukuruz Organski kukuruz Nema žutih zrna Nema ukrštanja (nema plavih zrna) Istorijski, svetsko tržište je na pravi način regulisalo pitanja ekonomske odgovornosti u vezi sa prisustvom u tragovima neželjenog materijala u bilo kom poljoprivrednom usevu. Organska proizvodnja u SAD ne može biti (pravno) degradirana i uzgajivači ne mogu izgubiti sertifikat za nenamerno prisustvo kada su ispoštovane sve potrebne mere i najbolje procedure i nijedan proizvoďač nije bio pogoďen na ovaj način do danas Svaki slučaj kršenja se zasnivao na tvrdnji da je farmer koji je tužen za kršenje to radio namerno (tj. prisustvo u tragovima nije bilo sporno). Do danas, sudovi su podržali svaki od ovih slučajeva.

28 Primum non nocere Komercijalizacija: 7 do 10 godina najmanje 9 stadijuma provere Biotek usevi i hrana su temeljnije testirani nego konvencionalni varijeteti ( za koje se predpostavlja da su bezbedni)- Jedna biotek soja prolazi posebnih analiza 23 studije sa hranjenjem mlečni proizvodi, govedni, živina, ekvivalent soje/kukuruza po sastavu, svarljivosti i hranljivoj vrednosti sa ne-gm. Clarke i sar Znatna ekvivalencija sa roditeljem Molekularna karakterizacia (17) Studije toksičnosti (5) marker geni (4) hranljiva vrednost (7+) - Potencijal za alergenost Antinutricioni efekti Svarljivost proteina Ekološki aspekti (5 stavki)- Ekološki uticaj (5 stavki) OECD, CBD, CODEX Omika studije Pšenica ( Baker 2006.), Krompir (Catchpole 2005.) Transkriptomičke i Metabolomičke studije pokazuju veću varijabilnost izmeďu varijeteta dobijenih na klasičan način i čak izmeďu lokaliteta nego izmeďu GM i roditeljskog varijeteta (osim naravno za željenu modifikaciju) razlike izmeďu lokaliteta su generalno bile veće nego razlike izmeďu linija

29 Nadam se da u ovome nema ničeg genetički modifikovanog Najveći izazovi Tehnički Intelektualna svojina: Zaštita prava intelektualne svojine kod biljaka Specijalizovani usevi Fizička, tehnička i organizaciona odgovornost Biološka sigurnost: takozvane nerazvijene zemlje Specijalizovani usevi Prihvatanje: - borba protiv straha i pogrešnog informisanja (etički) - moralni imperativ stvarna potreba nasuprot hipotetičkom riziku