Agrarbiotechnologie - Agricultural biotechnology

Landwirtschaftliche Biotechnologie , auch bekannt als agritech , ist ein Bereich der Agrarwissenschaft die Nutzung wissenschaftlicher Werkzeuge und Techniken , die, einschließlich Gentechnik , molekularen Marker , molekulare Diagnostik , Impfstoffe und Gewebekultur , lebende Organismen zu ändern: Pflanzen , Tiere und Mikroorganismen . Die Pflanzenbiotechnologie ist ein Aspekt der landwirtschaftlichen Biotechnologie, der in letzter Zeit stark entwickelt wurde. Gewünschte Eigenschaften werden von einer bestimmten Pflanzenart zu einer ganz anderen Art exportiert . Diese transgenen Pflanzen besitzen wünschenswerte Eigenschaften in Bezug auf Geschmack, Blütenfarbe, Wachstumsrate, Größe der geernteten Produkte und Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge.

Geschichte

Landwirte manipulieren Pflanzen und Tiere durch selektive Züchtung seit Jahrzehnten von Tausenden von Jahren, um gewünschte Eigenschaften zu erzeugen. Im 20. Jahrhundert führte ein Technologieschub zu einer Zunahme der landwirtschaftlichen Biotechnologie durch die Auswahl von Merkmalen wie Ertragssteigerung, Schädlingsresistenz, Trockenheitsresistenz und Herbizidresistenz. Das erste biotechnologisch hergestellte Lebensmittel wurde 1990 verkauft, und 2003 nutzten 7 Millionen Landwirte Biotech-Pflanzen. Mehr als 85 % dieser Bauern befanden sich in Entwicklungsländern.

Pflanzenmodifikationstechniken

Traditionelle Zucht

Traditionelle Kreuzungen werden seit Jahrhunderten verwendet, um die Qualität und Quantität der Ernte zu verbessern. Durch die Kreuzung werden zwei sexuell kompatible Arten miteinander verpaart, um eine neue und besondere Sorte mit den gewünschten Eigenschaften der Eltern zu schaffen. Zum Beispiel weist der Honeycrisp-Apfel aufgrund der Kreuzung seiner Eltern eine spezifische Textur und einen spezifischen Geschmack auf. In traditionellen Praktiken werden Pollen einer Pflanze auf den weiblichen Teil einer anderen gelegt, was zu einer Hybride führt, die genetische Informationen von beiden Elternpflanzen enthält. Pflanzenzüchter wählen die Pflanzen mit den Eigenschaften aus, die sie weitergeben möchten, und züchten diese Pflanzen weiter. Beachten Sie, dass Kreuzungen nur innerhalb derselben oder nahe verwandter Arten verwendet werden können.

Mutagenese

Mutationen können in der DNA jedes Organismus zufällig auftreten . Um Vielfalt innerhalb von Nutzpflanzen zu schaffen, können Wissenschaftler zufällig Mutationen innerhalb von Pflanzen induzieren. Mutagenese verwendet Radioaktivität, um zufällige Mutationen zu induzieren, in der Hoffnung, über das gewünschte Merkmal zu stolpern. Wissenschaftler können mutierende Chemikalien wie Ethylmethansulfonat oder Radioaktivität verwenden, um zufällige Mutationen in der DNA zu erzeugen. Atomare Gärten werden verwendet, um Nutzpflanzen zu mutieren. Ein radioaktiver Kern befindet sich in der Mitte eines kreisförmigen Gartens und wird aus dem Boden gehoben, um die umliegenden Pflanzen zu bestrahlen und Mutationen innerhalb eines bestimmten Radius zu erzeugen. Mutagenese durch Bestrahlung war das Verfahren zur Herstellung von rubinroten Grapefruits .

Polyploidie

Polyploidie kann induziert werden, um die Anzahl der Chromosomen in einer Kulturpflanze zu verändern, um ihre Fruchtbarkeit oder Größe zu beeinflussen. Normalerweise haben Organismen zwei Chromosomensätze , auch Diploidie genannt . Jedoch kann sich diese Anzahl der Chromosomen entweder auf natürliche Weise oder durch den Einsatz von Chemikalien ändern, was zu Fruchtbarkeitsänderungen oder Größenänderungen innerhalb der Pflanze führt. Auf diese Weise werden kernlose Wassermelonen hergestellt; Eine Wassermelone mit 4 Chromosomensätzen wird mit einer Wassermelone mit 2 Chromosomensätzen gekreuzt, um eine sterile (kernlose) Wassermelone mit drei Chromosomensätzen zu erhalten.

Protoplastenfusion

Protoplastenfusion ist die Verbindung von Zellen oder Zellkomponenten, um Merkmale zwischen Spezies zu übertragen. Beispielsweise wird das Merkmal der männlichen Sterilität durch Protoplastenfusion von Radieschen auf Rotkohl übertragen . Diese männliche Sterilität hilft Pflanzenzüchtern bei der Herstellung von Hybridpflanzen.

RNA-Interferenz

RNA-Interferenz (RNAIi) ist der Prozess, bei dem der RNA- Protein-Mechanismus einer Zelle zu- oder abgeschaltet wird, um Gene zu unterdrücken. Diese Methode der genetischen Modifikation funktioniert durch Eingriffe in die Boten-RNA, um die Synthese von Proteinen zu stoppen und ein Gen effektiv zum Schweigen zu bringen.

Transgenetik

Transgenetik beinhaltet das Einfügen eines DNA-Stücks in die DNA eines anderen Organismus, um neue Gene in den ursprünglichen Organismus einzuführen. Durch diese Hinzufügung von Genen in das genetische Material eines Organismus entsteht eine neue Sorte mit gewünschten Eigenschaften. Die DNA muss aufbereitet und in ein Reagenzglas verpackt und dann in den neuen Organismus eingesetzt werden. Mit Biolistik können neue genetische Informationen eingefügt werden . Ein Beispiel für Transgene ist die Regenbogen-Papaya, die mit einem Gen modifiziert ist, das ihr eine Resistenz gegen das Papaya-Ringspot-Virus verleiht .

Genom-Editierung

Genome Editing ist die Verwendung eines Enzymsystems, um die DNA direkt in der Zelle zu verändern. Genome Editing wird verwendet, um herbizidresistenten Raps zu entwickeln, um Landwirten bei der Unkrautbekämpfung zu helfen.

Verbesserter Nährstoffgehalt

Die landwirtschaftliche Biotechnologie wurde verwendet, um den Nährstoffgehalt einer Vielzahl von Nutzpflanzen zu verbessern, um den Bedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken. Gentechnik kann Pflanzen mit einer höheren Konzentration an Vitaminen produzieren. Goldener Reis zum Beispiel enthält drei Gene, die es Pflanzen ermöglichen, Verbindungen herzustellen, die im menschlichen Körper in Vitamin A umgewandelt werden. Dieser ernährungsphysiologisch verbesserte Reis wurde entwickelt, um die weltweit häufigste Erblindungsursache – Vitamin-A-Mangel – zu bekämpfen . In ähnlicher Weise hat das Projekt Banana 21 daran gearbeitet, die Ernährung von Bananen zu verbessern, um Mikronährstoffmangel in Uganda zu bekämpfen . Durch die genetische Modifikation von Bananen, um Vitamin A und Eisen zu enthalten, hat Banana 21 dazu beigetragen, eine Lösung für Mikronährstoffmangel durch das Gefäß eines Grundnahrungsmittels und einer wichtigen Stärkequelle in Afrika zu fördern. Darüber hinaus können Pflanzen manipuliert werden, um die Toxizität zu reduzieren oder Sorten mit entfernten Allergenen zu produzieren .

Gene und Merkmale, die für Nutzpflanzen von Interesse sind

Agronomische Merkmale

Insektenresistenz

Eine sehr begehrte Eigenschaft ist die Insektenresistenz . Dieses Merkmal erhöht die Widerstandsfähigkeit einer Pflanze gegen Schädlinge und ermöglicht einen höheren Ertrag. Ein Beispiel für dieses Merkmal sind Pflanzen, die gentechnisch verändert wurden, um insektizide Proteine ​​herzustellen, die ursprünglich in ( Bacillus thuringiensis ) entdeckt wurden. Bacillus thuringiensis ist ein Bakterium, das insektenabweisende Proteine ​​produziert, die für den Menschen nicht schädlich sind. Die für diese Insektenresistenz verantwortlichen Gene wurden isoliert und in viele Nutzpflanzen eingeführt. Bt-Mais und -Baumwolle sind heute alltäglich, und Kuherbsen , Sonnenblumen , Sojabohnen , Tomaten , Tabak , Walnüsse , Zuckerrohr und Reis werden alle in Bezug auf Bt untersucht.

Herbizidtoleranz

Unkraut ist seit Jahrtausenden ein Problem für Landwirte; sie konkurrieren um Bodennährstoffe, Wasser und Sonnenlicht und erweisen sich als tödlich für Pflanzen. Eine Lösung bietet die Biotechnologie in Form der Herbizidtoleranz. Chemische Herbizide werden direkt auf Pflanzen gesprüht, um Unkräuter und damit Konkurrenz abzutöten, und herbizidresistente Pflanzen haben die Chance, zu gedeihen.

Krankheitsresistenz

Pflanzen werden oft von Krankheiten befallen, die durch Insekten (wie Blattläuse ) übertragen werden. Die Verbreitung von Krankheiten unter Nutzpflanzen ist unglaublich schwer zu kontrollieren und wurde bisher nur durch vollständiges Entfernen der befallenen Pflanzen bewältigt. Eine Lösung bietet der Bereich der landwirtschaftlichen Biotechnologie durch gentechnische Virusresistenz. Die Entwicklung krankheitsresistenter gentechnisch veränderter Pflanzen umfasst jetzt Maniok , Mais und Süßkartoffeln .

Temperaturtoleranz

Auch für Pflanzen unter extremen Temperaturbedingungen kann die Agrarbiotechnologie eine Lösung bieten. Um den Ertrag zu maximieren und das Erntesterben zu verhindern, können Gene konstruiert werden, die helfen, die Kälte- und Hitzetoleranz zu regulieren. Papayabäume wurden zum Beispiel gentechnisch verändert, um toleranter gegenüber Hitze und Kälte zu sein. Weitere Merkmale sind die Wassernutzungseffizienz, die Stickstoffnutzungseffizienz und die Salztoleranz.

Qualitätsmerkmale

Zu den Qualitätsmerkmalen gehören ein erhöhter Nährwert oder diätetischer Wert, eine verbesserte Verarbeitung und Lagerung von Lebensmitteln oder die Eliminierung von Toxinen und Allergenen in Nutzpflanzen.

Gemeinsame GVO-Pflanzen

Derzeit sind in den Vereinigten Staaten nur wenige gentechnisch veränderte Pflanzen zum Kauf und zum Verzehr erhältlich. Das USDA hat Sojabohnen, Mais, Raps, Zuckerrüben, Papaya, Kürbis, Luzerne, Baumwolle, Äpfel und Kartoffeln zugelassen. GMO-Äpfel ( arktische Äpfel ) sind nicht bräunende Äpfel und machen eine Behandlung gegen das Bräunen überflüssig, reduzieren Lebensmittelabfälle und bringen den Geschmack hervor. Die Produktion von Bt-Baumwolle ist in Indien sprunghaft angestiegen, 2011 wurden 10 Millionen Hektar zum ersten Mal gepflanzt, was zu einer Reduzierung des Insektizideinsatzes um 50 % führte. 2014 pflanzten indische und chinesische Bauern mehr als 15 Millionen Hektar Bt-Baumwolle an.

Sicherheitstests und behördliche Vorschriften

Die Regulierung der landwirtschaftlichen Biotechnologie in den USA fällt unter drei Hauptregierungsbehörden: das Landwirtschaftsministerium (USDA), die Umweltschutzbehörde (EPA) und die Food and Drug Administration (FDA). Das USDA muss die Freisetzung neuer GVO genehmigen, die EPA kontrolliert die Regulierung von Insektiziden und die FDA bewertet die Sicherheit einer bestimmten Kulturpflanze, die auf den Markt gebracht wird. Im Durchschnitt dauert es fast 13 Jahre und 130 Millionen US-Dollar an Forschung und Entwicklung, bis ein genetisch veränderter Organismus auf den Markt kommt. Der Regulierungsprozess dauert in den USA bis zu 8 Jahre. Die Sicherheit von GVO ist weltweit zu einem Diskussionsthema geworden, aber zusätzlich zur Arbeit der FDA werden wissenschaftliche Artikel erstellt, um die Sicherheit des Konsums von GVO zu testen. In einem dieser Artikel wurde der Schluss gezogen, dass Bt-Reis die Verdauung nicht beeinträchtigt und keinen horizontalen Gentransfer induziert .

Verweise

• Momoh James Osamede (2016). Pflanzenbiotechnologie in Nigeria. Verfahren für Postgraduierten-Workshop, UNIBEN, Nigeria 27. April 2016. BENIN CITY, Nigeria