Aplikasi Bioteknologi Tumbuhan!
Rekayasa genetika tanaman memberikan peluang untuk mengubah sifat atau kinerjanya untuk meningkatkan kegunaannya. Teknologi tersebut dapat digunakan untuk memodifikasi ekspresi gen yang sudah ada pada tanaman, atau untuk memperkenalkan gen baru dari spesies lain yang tanamannya tidak dapat dikawinkan secara konvensional. Dengan demikian, memberikan efisiensi yang lebih besar untuk pemenuhan tujuan pemuliaan konvensional.
Salah satu aplikasi signifikan dari teknik tersebut terletak pada penambahan gen tunggal ke jenis tanaman yang diinginkan. Transformasi tanaman dapat digunakan untuk memperkenalkan karakteristik baru atau novel yang menciptakan pasar baru atau menggantikan produk konvensional. Peningkatan tersebut mungkin berkaitan dengan nilai gizi tanaman atau sifat fungsional dalam pengolahan atau bahkan konsumsi itu sendiri.
Di atas segalanya, teknologi ini memperluas kemungkinan transfer gen antara organisme yang tidak berkerabat, dan dengan demikian menciptakan informasi genetik baru melalui perubahan spesifik gen hasil kloning. Mari kita bahas implikasi dari teknologi ini secara lebih rinci.
Kualitas makanan:
Kualitas Nutrisi:
Tanaman benih memainkan peran penting dalam nutrisi manusia dan hewan. Hanya sedikit sereal yang menyumbang hampir lima puluh persen dari total kalori makanan. Demikian pula, tujuh spesies legum biji-bijian menyumbang sebagian besar asupan kalori kita.
Namun, sereal dan kacang-kacangan mengandung protein tertentu yang kekurangan asam amino seperti lisin dan treonin. Legum juga kekurangan asam amino sulfur. Beberapa tanaman benih lain seperti beras menawarkan keseimbangan asam amino yang lebih baik, tetapi tidak sesuai dengan tingkat proteinnya secara keseluruhan.
Logika umum mengikuti bahwa masing-masing makanan ini dapat terlempar ke kesempurnaan jika kekurangannya dapat diatasi dengan meminjam sifat-sifat yang hilang dari tanaman lain. Itulah tepatnya yang dilakukan bioteknologi tanaman – transfer gen tunggal atau ganda ke tanaman yang kekurangan komponen penting.
Baru-baru ini, Profesor Ingo Potrykus di Institut Teknologi Federal Swiss (Zurich) dan Dr Peter Beyer dari Universitas Freiburg (Jerman) mengembangkan ‘Beras Emas’, yang memiliki kadar pro-vitamin A atau b-karoten yang lebih tinggi.
Beras modifikasi ini diharapkan dapat memberikan manfaat gizi bagi mereka yang menderita penyakit terkait kekurangan vitamin A, termasuk kebutaan permanen pada ratusan ribu anak setiap tahunnya. Kandungan vitamin A yang cukup juga dapat mengurangi angka kematian yang terkait dengan penyakit menular seperti diare dan campak pada anak dengan meningkatkan aktivitas sistem kekebalan tubuh manusia.
Alat genetik dapat digunakan untuk mengubah kandungan karbohidrat, lemak, serat dan vitamin makanan. Aplikasi lain yang berguna adalah mengambil gen dari sereal kaya protein dan mentransfernya ke makanan rendah protein. Faktanya, percobaan serupa dilakukan di Universitas Jawaharlal Nehru di New Delhi, di mana para ilmuwan memindahkan gen dari bayam (Chaulai) ke dalam kentang. Kentang mencatat peningkatan tidak hanya pada kandungan proteinnya, tetapi juga pada ukurannya.
Alat transgenik juga digunakan untuk meningkatkan nilai nutrisi tanaman dengan mengurangi faktor anti nutrisinya (seperti protease inhibitor dan hemaglutinin dalam legum). Masalah yang terkait dengan perut kembung pada makanan tertentu juga dapat diatasi dengan memanipulasi serat makanan dan kandungan oligosakarida.
Aplikasi bioteknik juga sangat berguna dalam kasus gandum. Kualitas gandum ditentukan oleh adanya protein penyimpan benih dari biji-bijian. Dengan demikian, kualitasnya dapat ditingkatkan dengan memanipulasi keberadaan protein ini. Lebih banyak protein gluten juga dapat ditambahkan untuk meningkatkan elastisitas adonan. Selanjutnya, kandungan pati gandum dapat diubah agar sesuai dengan sifat produk seperti mi.
Kualitas Fungsional:
Transformasi dapat diterapkan pada buah dan sayuran untuk meningkatkan rasa dan teksturnya dengan memanipulasi proses pematangannya. Kinerja produk tanaman selama pengolahannya juga dapat ditingkatkan dengan rekayasa genetika. Misalnya, makanan hasil rekayasa genetika pertama, tomat Flavr-Savr dimanipulasi secara genetik untuk memperlambat pematangannya, dan memiliki umur simpan yang lebih lama (Gbr-2).
Strategi umum lainnya untuk mengontrol pematangan adalah mengekang produksi hormon pematangan etilen. Etilena diproduksi dari S-adenosylmethionine dengan konversi menjadi 1-amino-cyclopropane- 1-Carboxylic acid (ACC) dengan adanya ACC Synthase, diikuti oleh pembentukan etilen oleh ACC oksidase atau enzim pembentuk etilen.
Pematangan dapat ditunda dengan mengarahkan konstruksi antisense terhadap salah satu enzim ini, atau dengan menghilangkan ACC dengan deaminase ACC. Buah kemudian dapat dimatangkan sesuai kebutuhan dengan paparan sumber etilen buatan.
Malting dan Brewing:
Produksi bir melibatkan perkecambahan jelai dalam kondisi yang terkendali. Kualitas bir sangat bergantung pada komposisi biji jelai. Banyak kualitas biji-bijian ini dapat ditingkatkan secara substansial melalui rekayasa genetika. Misalnya, meningkatkan stabilitas enzim jelai (terutama pada suhu tinggi) dapat meningkatkan keefektifannya pada suhu yang digunakan selama menumbuk. Rasa bir juga dapat dimanipulasi dengan merawat jelai secara genetik. Salah satu teknik tersebut adalah mengurangi kadar lipo-oksigenase.
Penyimpanan Karbohidrat:
Meningkatkan kadar enzim tertentu seperti ADP pyrophosphorylase dapat meningkatkan sintesis pati produk makanan. Ini dapat meningkatkan hasil makanan bertepung. Transformasi juga dapat mengubah sifat pati tanaman. Proporsi amilase dan amilopektin dalam pati dan kualitasnya juga dapat diatur. Ini akan memungkinkan penjahitan pati untuk memenuhi persyaratan untuk makanan atau produk industri tertentu.
Tanaman transgenik dengan peningkatan kadar fruktan (suatu bentuk glukosa) sudah diproduksi menggunakan levansucrase dari bakteri. Kandungan sukrosa tanaman juga dapat dimanipulasi untuk meningkatkan kualitas tanaman gula seperti tebu dan gula bit.
Resistensi Penyakit:
Ketahanan Serangga:
Rekayasa genetika telah terbukti menjadi keuntungan untuk menghasilkan tanaman tahan hama. Teknologi ini telah mengatasi kekurangan penggunaan pestisida kimia. Akhir-akhir ini, teknik memasukkan gen tahan penyakit ke dalam spesies tumbuhan juga menjadi sangat populer.
Misalnya, penghambat protease dapat mencegah pencernaan protein oleh serangga, dan karenanya memperlambat laju pertumbuhannya. Transfer protein tersebut ke tanaman bertindak sebagai mekanisme perlindungan alami terhadap serangan serangga.
Gen bakteri tertentu juga terbukti cukup efektif dalam mencegah kerusakan hama. Bacillus thuringiensis (Bt) menghasilkan Bt Toxin, yang efektif melawan larva serangga. Tanaman transgenik yang menyimpan gen Bt telah diproduksi pada tanaman seperti kacang kedelai, jagung dan kapas, dan terbukti tahan terhadap serangan hama.
Banyak serokimia lain (bahan kimia yang mengubah perilaku serangga) diproduksi oleh spesies serangga dan tumbuhan tertentu. Mentransfer ini ke tanaman lain bisa sangat efektif dalam memeriksa kejadian penyakit. Sebagai contoh lain, tanaman kentang yang rentan tidak mengandung bahan kimia anti-feedant seperti farnase, terpenoid dan senyawa terkait lainnya.
Ini diproduksi oleh spesies tanaman tahan kutu seperti Solanum berthaultii (pada bulu daun). Senyawa ini bertindak dengan memunculkan respons serangan pada kutu daun, sehingga kutu daun tidak dapat bertahan pada tanaman. Mentransfer gen ini ke tanaman kentang dapat melindunginya dari ancaman kutu daun.
Resistensi Virus:
Produksi tanaman transgenik yang tahan terhadap virus adalah salah satu penerapan transformasi tanaman yang paling berhasil. Beberapa strategi yang melibatkan ekspresi genom virus pada tumbuhan telah terbukti efektif. Misalnya, ekspresi gen protein selubung dari virus telah banyak berhasil. Ekspresi sense dan antisense dari bagian genom virus dapat menjadi pelindung terhadap infeksi virus.
Resistensi Nematoda:
Gen baru untuk resistensi nematoda menawarkan pendekatan alternatif untuk produksi tanaman tahan nematoda. Rekayasa genetika memberikan peluang untuk mengembangkan tanaman transgenik dengan ketahanan genetik terhadap hama tanaman jangka panjang ini, dan dengan demikian mengurangi ketergantungan pada nematisida kimia dalam pertanian.
Resistensi Herbisida:
Pilihan herbisida sangat penting karena berisiko tinggi menyebabkan resistensi. Gulma dapat dengan cepat mengembangkan resistensi herbisida ganda di beberapa sistem ketika beberapa kelas herbisida bekerja pada target molekul yang sama. Di sini sekali lagi, gen resistensi herbisida menawarkan perlindungan dengan mendetoksifikasi herbisida (mengubahnya menjadi bentuk tidak aktif).
Meningkatkan Efisiensi Fotosintetik:
Proses fotosintesis adalah mekanisme paling signifikan untuk menambah energi bagi tanaman. Namun, tanaman yang paling efisien pun hanya dapat memanfaatkan sekitar tiga hingga empat persen dari sinar matahari penuh. Bioteknologi sekarang digunakan untuk meningkatkan tingkat efisiensi fotosintesis RuBPCase (Ribulose bis phosphate carboxylase, yang terlibat dalam fiksasi karbondioksida).
Ini meningkatkan efisiensi katalisis dan mengurangi fungsi oksigenase kompetitif (karena Kasing RuBP juga berperilaku sebagai oksigenase). Varian yang berguna juga dapat diproduksi dengan menggabungkan gen yang mengkode sub-unit besar dan kecil dari enzim dari spesies yang berbeda.
Dua cara berbeda untuk melakukan ini adalah:
Toleransi Stres Abiotik:
Produktivitas tanaman mengalami kerugian besar karena berbagai bentuk cekaman selama perkembangannya. Faktor stres ini meliputi suhu, salinitas, kekeringan, banjir, sinar UV, dan berbagai infeksi. Sementara dasar molekuler dari respons semacam itu belum jelas, kita tahu bahwa mereka termasuk sintesis de novo dari protein spesifik (di bawah kejutan suhu) dan enzim (alkohol dehidrogenase di bawah anaerobiosis dan fenil alanin amino lyase di bawah iradiasi UV).
Gen yang merespons tekanan abiotik telah dikloning dan diurutkan di banyak laboratorium, termasuk dari penulis yang mengidentifikasi dan mengubah gen yang mengkode glyoxalase 1 untuk memberikan toleransi pada tanaman.
Urutan pengaturan dari beberapa gen juga telah diidentifikasi. Misalnya, sekuens promotor 5′ dari alkohol dehihrogenase telah dikaitkan dengan gen reporter CAT (Chloremphenicol Acetyl Transferase) dan dipindahkan ke protoplas tembakau di mana ekspresi yang sensitif terhadap O2 telah ditunjukkan.
Promotor yang diinduksi lingkungan seperti itu pasti akan menjadi alat yang berguna untuk mempelajari ekspresi gen, dan pekerjaan ini akan meletakkan dasar untuk transfer gen yang responsif terhadap stres di bawah promotor yang diatur ke spesies yang rentan. Baru-baru ini telah dikembangkan tanaman tomat yang tahan terhadap salinitas.
Gen dari berbagai organisme seperti sumber daya laut juga dapat digunakan untuk memperbaiki tanaman dengan berbagai cara. Ini adalah langkah inovatif menuju pengembangan spesies toleran garam, dengan mentransfer gen dari tanaman laut (halofit) ke tanaman biji-bijian dan sayuran.
Demikian pula gen, yang mengkodekan protein dari ikan menggelepar, telah diubah menjadi tanaman untuk melindunginya dari kerusakan akibat pembekuan. Protein ini dapat berguna untuk mencegah kerusakan akibat embun beku pada penyimpanan pascapanen. Dengan demikian, pembekuan dapat digunakan untuk menjaga tekstur dan rasa beberapa buah dan sayur, yang saat ini tidak sesuai untuk pembekuan.
Pengembangan Kapasitas Pengikatan Nitrogen pada Tanaman Non-Polongan:
Sementara penerapan pupuk nitrogen telah terbukti menjadi cara yang efisien untuk meningkatkan hasil panen, hal itu terus menjadi proposisi yang mahal. Alternatifnya adalah menyediakan sumber nitrogen alami di dalam tanaman. Memperkenalkan mikroorganisme pengikat nitrogen dapat melakukan ini.
Mikroorganisme tersebut mampu mengikat nitrogen atmosfer dengan adanya bakteri pengikat nitrogen Rhizobium. Transformasi gen pengikat nitrogen (gen nif) dari tanaman polongan ke tanaman non-kacang-kacangan dapat menawarkan alternatif yang hemat biaya dibandingkan dengan pupuk yang mahal.
Namun, cara lain untuk meningkatkan hasil nitrogen pada tanaman dapat dicapai dengan meningkatkan efisiensi proses fiksasi pada bakteri simbiotik, meningkatkan efisiensi proses fiksasi pada bakteri sintetik, memodifikasi bakteri pengikat nitrogen untuk mempertahankan fiksasi nitrogen dengan adanya eksogen. nitrogen.
Kemandulan Pria Sitoplasma:
Banyak penelitian telah dilakukan untuk menjelaskan mekanisme Cytoplasmic Male Sterility (CMS). Sifat ini menghasilkan produksi polen non-fungsional pada spesies tanaman dewasa seperti sorgum, jagung, dan gula bit, dan karenanya memfasilitasi pembentukan benih hibrida berdaya hasil tinggi yang berharga.
Kemandulan jantan sitoplasma pada spesies tanaman ini pada dasarnya terkait dengan reorganisasi DNA mitokondria dan sintesis polipeptida baru. Alat bioteknologi yang berkembang pesat pada akhirnya memungkinkan transfer sifat CMS ke garis subur jantan. Kemandulan jantan hasil rekayasa genetika juga memiliki potensi besar untuk generasi hibrida di bidang pertanian.
Pengembangan Tanaman:
Perkembangan tanaman adalah proses yang kompleks, yang melibatkan peran reseptor cahaya seperti fitokrom, ekspresi gen kloroplas, ekspresi gen mitokondria dalam kaitannya dengan kemandulan pria, akumulasi produk penyimpanan, dan pengembangan organ penyimpanan (buah).
Sekarang dimungkinkan untuk mengkloning dan mengurutkan berbagai gen yang bertanggung jawab untuk perkembangan tanaman. Ini telah meningkatkan kemungkinan memanipulasi ekspresi gen-gen ini, dan selanjutnya proses di mana mereka terlibat. Misalnya, gen pembungaan awal telah dilaporkan mengubah sifat-sifat varietas pematangan akhir.
Isolasi elemen promotor spesifik juga membantu merancang tanaman yang mengekspresikan protein dalam jaringan tertentu. Gen yang bertanggung jawab untuk pembentukan warna dapat ditransfer ke tanaman yang berbunga tidak berwarna. Terlebih lagi, manipulasi gen yang mengontrol pembungaan dan pembentukan serbuk sari dapat menghasilkan tanaman transgenik dengan kesuburan yang berubah. Ekspresi gen berdaun dan APETALAI pada Arabidopsis menghasilkan pembungaan sebelum waktunya.
Demikian pula, reseptor hormon diduga pada tanaman mempengaruhi sensitivitas jaringan yang berbeda terhadap zat pengatur tumbuh, dan diferensiasi dan perkembangan selanjutnya. Introduksi tipe liar atau gen termodifikasi untuk zat pengatur tumbuh tertentu terbukti efektif dalam memanipulasi perkembangan tanaman (seperti mengubah waktu kematangan atau jumlah dan ukuran umbi kentang). Pendekatan ini dapat diterapkan untuk memodifikasi respon pembungaan, perkembangan buah dan ekspresi gen protein penyimpanan.
Protein Berguna dari Tumbuhan:
Banyak tanaman sekarang digunakan untuk menghasilkan protein yang bermanfaat. Ini telah melahirkan Neutraceuticals – sebuah kata yang diciptakan untuk membuat makanan. Makanan ini juga dikenal sebagai makanan fungsional. Neutraceutical mencakup semua makanan ‘perancang’ dari sereal sarapan yang diperkaya vitamin hingga Benecol, olesan margarin yang sebenarnya menurunkan kolesterol LDL. Perusahaan Amerika terkemuka, Novartis Consumer Health, memperkirakan pasar AS untuk makanan fungsional sekitar sepuluh miliar dolar, dengan tingkat pertumbuhan tahunan yang diharapkan sebesar sepuluh persen.
Produksi Vaksin dari Tumbuhan:
Tumbuhan adalah sumber antigen yang kaya untuk imunisasi hewan. Tumbuhan transgenik dapat dikembangkan untuk menghasilkan protein antigenik atau molekul lain. Produksi antigen di bagian tanaman yang dapat dimakan dapat terbukti menjadi cara sistem pengiriman yang mudah dan efektif untuk antigen di bagian tanaman yang dapat dimakan dapat terbukti menjadi cara sistem pengiriman yang mudah dan efektif untuk antigen.
Aplikasi potensial dari teknologi ini akan mencakup imunisasi manusia dan hewan yang efisien terhadap penyakit dan pengendalian hama hewan. Misalnya, antigen untuk virus Hepatitis B telah berhasil diekspresikan pada tanaman tembakau dan digunakan untuk mengimunisasi tikus. Tikus yang diberi makan kentang yang mengekspresikan unit P-sub dari enterotoksin E.coli LT-B juga telah menghasilkan antibodi, sehingga melindungi dari toksin bakteri.
Teknik ini menjanjikan untuk membuka jalan bagi imunisasi murah terhadap beberapa penyakit manusia. Vaksin oral terhadap kolera telah diekspresikan pada tumbuhan. Generasi antigen melalui tanaman tidak hanya hemat biaya, tetapi juga dapat diproduksi secara massal, dan mudah dipulihkan.
