untitled

Biotehnologii nepoluante in agricultura

Definiţie:

Biotehnologia este un domeniu de activitate relativ nou, care pune într-un tot unitar ştiinţele biologice cu tehnologiile, în care se utilizează

† procese biologice,

† organisme biologice,

† sau sisteme biologice

în scopul obţinerii de produse şi servicii destinate creşterii calităţii vieţii societăţii umane.

Biotehnologia include:

† cunoştinţe şi tehnici utilizate în scopul îmbunătăţirii caracterelor importante din punct de vedere economic la plante, animale şi micro-organisme (caractere utile pentru producţiea vegetală, animală, pentru industria alimentară)

† manipularea organismelor vii la nivel molecular (tehnologiei ingineriei genetice, sau tehnologia ADN recombinant)

Biotehnologia cuprinde mai multe sub-discipline:

† biotehnologii medicale  şi terapia genică

† biotehnologii farmaceutice (pentru obţinerea compuşilor bioactivi – vitamine, proteine, anticorpi);

† biotehnologii agricole (pentru obţinerea de noi organisme cu caractere economic valoroase (rezistenţă şi toleranţă la factori biotici şi abiotice, caractere importante pentru comercializare, pentru industriea alimentară) şi obţinerea de plante modificate genetic

† biotehnologii marine (pentru studiul compuşilor activi şi posibilitatea utilizării lor in industrie, producere de medicamente, coloranţi);

† biotehnologii ecologice (pentru obţinerea de compuşi biodegradabili).

Ca urmare, in sens larg, biotehnologia presupune valorificarea în practică a proceselor biologice şi a fost definită de Organizaţia pentru Cooperare şi Dezvoltare Economică astfel:

Biotehnologia cuprinde totalitatea tehnicilor care utilizează organisme vii, sau componente ale acestora în scopul obţinerii de produse, sau a obţinerii de  produse modificate, pentru a ameliora plante şi animale, sau pentru a produce microorganisme cu utilizări specifice.

Biotehnologia este considerată ştiinţă a viitorului care va asigura obţinerea de produse naturale prin sisteme şi proceduri chimice şi industriale. Acest domeniu ar trebui să revoluţioneze viaţa oamenilor şi să dovedească cum putem trăi mai bine şi cu mai puţin stres.

Scurt istoric al biotehnologiilor moderne

Deşi am avea tendinţa de a considera biotehnologia ca fiind o ştiinţă nouă, rădăcinile sale vin urmă cu peste 6.000 de ani:

„ încă de acum 4.000 ani IC se utiliza laptele şi diferite produse lactate de către crescătorii de animale pentru obţinerea de produse lactate (fermentatia lactică)

„ egiptenii foloseau drojdiile la prepararea de pâine şi obţinerea vinurilor (fermentaţia acetică)

„ acum 2.000 ani IC egiptenii, sumerienii şi chinezii au perfecţionat metodele de fermentare pentru obţinerea berii şi a produselor din brânză

„ 1.500 IC se folosea tehnica fermentaţiei acetice pentru obţinerea iaurtului, iar aztecii preparau un fel de prăjituri din alge

„ în 1861 chimistul francez Louis Pasteur descoperă şi explica principiul care sta la baza pasteurizării şi al sterilizării prin încălzire

„ Rol deosebit de important în evoluţia cunoştinţelor l-au avut:

-          Teoria evoluţiei enunţată de Charles Darwin în 1859 şi

-          Legile enunţate de Gregor Mendel în 1865

„ 1902 formularea ipotezei totipotenţei celulei vegetale de către  Gottlieb Haberlandt şi care a efectuat primele încercări de culturi in vitro (1921), este considerat fondatorul tehnicii de cultură in vitro

„ 1910 Thomas Hunt Morgan descoperă faptul că genele sunt localizate în cromozomi

„ 1914 Gerry Fitz Gerald obţine primul produs de antitoxină de la diptere, ceea ce a permis înfiinţarea primului Laborator de antitoxine în cadrul Universităţii din Toronto. Ulterior, acest laborator a devenit cel mai mare producător de vaccinuri din lume. 

„ 1921 descoperirea insulinei la Universitatea din Toronto de către Banting, Best, Collip şi MacLeod  - din 1922 se utilizează insulina în tratarea diabetului.

„ 1925 Se realizează primele culturi de embrioni proveniţi de la hibrizi inter-specifici la genul Linum

„ 1928 Frederick Griffith descoperă procesul de transformare genetică şi explică modul în care are loc în mod natural transferul unei gene de la o suşă bacteriană la alta

„ 1934 White P. a reuşit să menţină pe termen foarte lung o cultura de rădăcini de tomate

„ 1936 alţi cercetători reuşesc să menţină pe termen lung în medii artificiale diferite tipuri de ţesuturi (calus) – Gautheret, Nobecourt şi White

„ 1941 microbiologul danez Jost A. Introduce termenul de inginerie genetică într-o lucrare despre reproducerea sexuală la drojdii

„ 1943 Oswald Avery, Colin MacLead and Maclyn McCarty  într-un experiment cu bacterii au demonstrat că ADN poartă informaţia genetică a celulei

„ 1953 James Watson şi Francis Crick descriu structura dublu-helix a ADN

„ 1953 s-au obţinut primele plante pornind de la o celulă (Muir)

„ 1956 realizarea culturilor în suspensie pentru producerea de metaboliţi secundari

„ 1957 se descoperă faptul că este posibilă reglarea formării organelor vegetale prin modificarea raportului dintre auxine şi citochinine (Skoog şi Miller)

„ 1958 regenerarea embrionilor somatici în suspensii celulare la Daucus (Reinert şi Steward)

„ 1960 realizarea primelor fecundări in vitro la Papaver rhoeas (Kanta)

„1960 Olah Hornykiewicz care descoperise cauza bolii Parkinson, pune la punct terapia cu L-Dopamină

„  1961 sunt descoperite celulele stem hematopoetice

„Propagarea vegetativă în vitro la plante, pornind de la meristeme, este utilizată tot mai mult în scop industrial – Orhidee (Morel)

„ 1964 obţinerea primelor plante haploide din cultura de antere la Datura (Guha şi Maheshwari)

„ 1971 Regenerarea primelor plante întregi din cultura de protoplaşti (Takebe)

„ 1970-4 Paul Berg, Stanley Cohen and Herbert Boyer descoperă modul de tăiere a moleculelor de ADN cu enzime de restricţie şi introduc tehnnica ADN recombinant

„ 1972 realizarea primei hibridări interspecifice prin fuziunea protoplaştilor la tutun (Carlson)

„ 1977 integrarea ADN plasmidial de la bacterii (Agrobacteriun tumefaciens) la plante (Chilton)

„ 1981 introducerea termenului de variaţie somaclonală (Larkin şi Scowcroft)

„ 1982 obţinerea primului produs prin inginerie genetică, respectiv insulina umană în culturi de Escherichia coli modificate genetic.

„ 1984 Kary Mullis descoperă principiul PCR de polimerizare în lanţ a fragmentelor de ADN

„ 1986 eliberarea în cultură a primelor plante modificate genetic la tutun

„ 1987 permiterea pentru prima data să se utilizeze microorganismele modificate genetic în scop experimental

„ 1990 primul proiect internaţional HUMAN GENOME PROJECT care a avut ca scop identificarea şi secvenţierea genelor genomului uman

„ numeroase proiecte internaţionale care au drept scop secvenţierea integrala a genomului princilalelor plante şi animale, de interes pentru om.

1994  Administraţia pentru Alimente şi Medicamente ale Statelor Unite (FDA) a aprobat pentru comercializare primul produs modificat genetic: the Flavour Savour tomato (suc de tomate) a fost introdus în supermarket-urile din Marea Britanie. Reacţia cumpărătorilor din magazine a fost violentă, ca urmare produsul a fost scos rapid din magazine.

1996 FDA a aprobat medicamentul Biogen’s Avonex, un interferon utilizat în tratamentul sclerozei multiple în plăci, venitul realizat era de 1 milion $ annual.

1996 A fost clonată oaia Dolly.

1998 S-a reuşit obţinerea de culture stabile de cellule umane Stem.

2000 S-a anunţat terminarea secvenţierii genomului uman – 3,15 miliarde de nucleotide.

2003 S-a permis finanţarea proiectelor de cercetare care au ca obiect de studio genomul uman în scopul înţelegerii bazelor molecular ale bolilor la om.

2007 Craig C. Mello,de la University of Massachusetts şi Andrew Fire de la Stanford University au primit Premiul Nobel pentru descoperirea unui tip special de ARN care dezactivează genele.

Biotehnologia integrează in procese productive

_ cunoştinţele şi principiile generale ale disciplinelor fundamentale (citologie, biologie celulară şi moleculară, genetică, biochimie, embriologie)

_ cunoştinţele şi principiile generale ale disciplinelor aplicative (ingineria chimică, tehnologia, robotica, bioinformatica).

În concluzie, biotehnologia reprezintă un domeniu care îmbină cunoştinţele despre:

„ sistemele biologice

„ utilizarea organismelor biologice

„ utilizarea unor sisteme artificiale şi a unor compuşi chimici

în scopul obţinerii unor produse biologice noi, sau îmbunătăţite, în cantitate suficientă şi de calitate incontestabilă.

Biotehnologie înseamnă – utilizarea organismelor vii, sau a produselor lor în scopul îmbunătăţirii condiţiilor de viaţă şi sănătate ale oaenirii, precum şi al menţinerii şi imbunătăţirii condiţiilor de mediului.

Societatea umană a învăţat în timp despre tot ceea ce este viu şi ne înconjoară şi cum să utilizăm acest viu. Am învăţat şi am înţeles treptat despre organismele vii, cum funcţionează acestea, cum se realizează controlul de la nivel celular la organism ca întreg. 

Din acest domeniu vast, în Biotehnologiile vegetale se utilizează organismele vegetale, care îşi exprimă totipotenţa celulară în sisteme şi condiţii artificiale.  Dinte aplicaţiile practice ale biotehnologiilor vegetale, cele care până  în prezent şi-au demonstrat eficienţa, pot fi nominalizate :

´ obţinerea plantelor libere de virusuri

´ obţinerea plantelor hibride între specii sau genotipuri incompatibile, imposibil de obţinut prin metodele traditionale de încrucişare

´ obţinerea plantelor haploide şi dihaploide, imposibil de realizat prim metodele clasice

´ obţinerea plantelor transgenice care exprimă strict caractere de interes economic (cantitate, caliate, aroma, conţinut în compuşi-nutrienţi utili, aspect comercial, rezistenţă la factori fizici şi biologici)

´ obţinerea eficientă a plantelor în procesul ameliorării prin controlul procesului de încrucişare şi selecţia asistată de markeri a plantelor valoroase

´ creşterea producţiei agricole prin multiplicarea clonală a soiurilor şi varietăţilor importante pentru societatea umană.

În concluzie putem spune că biotehnologia vegetală (agricolă) are importanţă deosebită pentru viaţa noastră în prezent şi în viitor, iar datoria noastră este să perfectăm continuu acest domeniu.

Noţiuni şi principii de bază ale biotehnologiei vegetale

Plantele sunt

Organisme eucariote (eu = adevărat, carion = nucleu)

Capabile de fotosinteză = convertesc energia luminoasă în energie chimică                                   

Autotrofe = sintetizează compuşi organici complecşi pornind de la

                     compuşi anorganici simpli - apă, CO2 şi săruri minerale

Sunt organisme multicelulare complexe, alcătuite din diferite tipuri de

                                                   celule şi ţesuturi

Se pot reproduce sexuat şi asexuat (vegetativ)

Sunt organisme care nu se deplasează, ca urmare depind de un anumit mediu de viaţă şi sunt foarte sensibile la variaţiile factorilor de mediu. Orice modificare a acestor factori determină modificarea programelor de dezvoltare şi de diferenţiere celulară. Celulele vegetale au un program de diferenţiere foarte flexibil, fiind apte, în anumite condiţii să regenereze organisme complete, aptitudine cunoscută sub numele de "totipotenţă celulară".

Totipotenţa celulei vegetale – proprietatea unei celule de a genera orice alt tip de celulă, până la organism întreg. 

Etapele diferenţierii, creşterii şi dezvoltării plantelor

A. De la celula iniţială la plantulă

Corpul unei plante, format din milioane de celule specializate structural şi funcţional, ia naştere dintr-o singură celulă ca urmare a reproducerii vegetative, sau sexuate.

a)      La plantele cu capacitate de reproducere vegetativă, celula iniţială este în meristemele din organele preexistente. Aceste celule meristematice parcurg mitoze repetate (diviziuni egale şi repetate ale celulelor, fără modificarea cantităţii de ADN)), rezultând noi celule, ţesuturi şi ulterior o nouă plantă.

b)      Meristemele sunt localizate

-          la vârfurile de creştere ale lăstarilor şi rădăcinilor (meristeme apicale)

-          în cambiul tulpinii şi scoarţei (meristeme laterale)

-          în frunze şi fructe.

Ex: formarea de novo a rădăcinilor şi/sau a lăstarilor din butaşi de tulpină, rădăcină, frunză.

În cazul reproducerii vegetative

Æ diferenţierea de noi ţesuturi şi regenerarea de noi plante porneşte de la un singur părinte (planta donatoare de organ)

Æ noul organism (planta nouă regenerată) este rezultatul diviziunilor mitotice

Æ iar noile plante (descendenţa) rezultate sunt identice atât între ele, cât şi cu planta de origine.

b) La plantele cu reproducere sexuată, celula iniţială numită ou, sau zigot este rezultatul unirii gameţilor în procesul fecundării. Această celulă parcurge mai multe diviziuni (prima asimetrică, urmată de mai multe diviziuni simetrice) rezultând formarea embrionului prin procesul numit embriogeneză zigotică.

Embrionul parcurge mai multe etape de dezvoltare:

-          globular – o sferă multicelulară în care încep procesele de histogeneză

-          inimă – diviziunile celulare se direcţionează şi încep să fie vizibile cele două cotiledoane

-          torpedo – se alungesc cotiledoanele şi axul principal

-          cotiledonar – cotiledoanele sunt complet dezvoltate, iar la cele două extremităţi se găsesc meristemul apical al tulpinii şi cel apical al rădăcinii

-          maturare – se sintetizează proteinele de rezervă

-          deshidratarea şi latenţa, proces care are loc simultan cu transformarea ovulului în sămânţă).

Caracteristic pentru plante este faptul că se pot forma embrioni şi din celule somatice, care nu sunt produsul fuziunii gameţilor de sex opus. Procesul se numeşte embriogeneză somatică şi implică parcurgerea aceloraşi stadii de dezvoltare (globular, inimă, torpedo, cotiledonar, alungire şi maturare). Procesul embriogenezei somatice poate fi indus în condiţii experimentale de cultură în anumite tipuri de celule şi prezintă anumite particularităţi biochimice, fiziologice şi genetice.

Pentru ca meristemele apicale să se activeze şi embrionul să-şi reia creşterea, sămânţa trebuie să germineze. Germinarea are loc în anumite condiţii de temperatură şi umiditate, pe seama rezervelor de hrană din endosperm şi cotiledoane.