遺伝子組み換え植物

遺伝子組み換え植物は、科学的研究、植物の新しい色の作成、ワクチンの送達、および強化された作物の作成のために操作されてきました。植物ゲノムは、物理的方法によって、またはT-DNAバイナリベクターにホストされている配列の送達のためのアグロバクテリウムの使用によって操作できます。多くの植物細胞は多能性であり、成熟した植物から1つの細胞を収穫し、適切な条件下で新しい植物を形成できます。この能力は、遺伝子工学者によって最もよく利用され、成体植物にうまく変換できる細胞を選択し、その後、組織培養と呼ばれるプロセスを通じて、すべての細胞にトランスジェニックを含む複数の新しい植物に成長させることができます。^[1]

遺伝子工学の分野における進歩の多くは、タバコの実験から生まれた。幅広い植物の組織培養と植物細胞機構における大きな進歩は、タバコで開発されたシステムに端を発している。 ^[2]タバコは遺伝子組み換えされた最初の植物であり、遺伝子工学だけでなく、他のさまざまな分野のモデル生物と見なされている。^[3]そのため、トランスジェニックツールと手順は十分に確立されており、形質転換が最も簡単な植物の1つとなっている。^[4]遺伝子工学に関連するもう1つの主要なモデル生物は、シロイヌナズナである。ゲノムが小さくライフサイクルが短いため、操作が容易で、重要な作物種との相同遺伝子を多数含んでいる。 ^{[5]これは、最初に}配列決定された植物であり、豊富なバイオインフォマティクスリソースを持ち、形質転換したアグロバクテリウム溶液に花を浸すだけで​​形質転換できる。^[6]

研究では、特定の遺伝子の機能を発見するために植物が遺伝子操作される。これを行う最も簡単な方法は、遺伝子を除去して、野生型と比較してどのような表現型が発現するかを確認することである。違いがあれば、それはおそらく遺伝子の欠損によるものである。突然変異誘発とは異なり、遺伝子工学では、生物の他の遺伝子を混乱させることなく、標的を絞って除去することができる。^[1]一部の遺伝子は特定の組織でのみ発現するため、GUSなどのレポーター遺伝子を目的の遺伝子に取り付けて、その位置を視覚化することができる。^[7]遺伝子をテストする他の方法としては、遺伝子をわずかに変更してから植物に戻して、表現型に同じ効果があるかどうかを確認する方法がある。他の戦略には、遺伝子を強力なプロモーターに取り付け、遺伝子が過剰発現した場合に何が起こるかを確認し、遺伝子を別の場所または別の発達段階で発現させる方法がある。^[1]

遺伝子組み換え植物の中には、純粋に観賞用のものもあります。これらは、花の色、香り、花の形、植物の構造が組み換えられています。^[8]最初の遺伝子組み換え観賞用植物は、色を変えたものでした。^[9] カーネーションは1997年に発売され、最も人気のある遺伝子組み換え生物である青いバラ（実際はラベンダーまたは藤色）は2004年に作られました。 ^[10]バラは日本、米国、カナダで販売されています。^{[11] [12]}その他の遺伝子組み換え観賞用植物には、キクやペチュニアなどがあります。^[8]美的価値を高めるだけでなく、より少ない水を使用するか、寒さに強い観賞用植物を開発して、自然環境の外で栽培できるようにする計画があります。^[13]

絶滅の危機に瀕している植物種を遺伝子組み換えして、北米のナミアゲハやヨーロッパのプラタナスの真菌病であるセラトシスティス・プラタニなど、侵入植物や病気に耐性を持たせることが提案されている。^[14]パパイヤリングスポットウイルス（PRSV）は、20世紀にハワイのパパイヤの木を壊滅させたが、病原体由来の耐性を遺伝子組み換えパパイヤに与えた。^[15]しかし、植物の保全のための遺伝子組み換えは、主に推測の域を出ない。特有の懸念は、遺伝子組み換え種が元の種と十分に類似しなくなり、元の種が保全されていると真に主張できなくなる可能性があることである。代わりに、遺伝子組み換え種は遺伝的に十分に異なり、新しい種と見なされる可能性があり、遺伝子組み換えの保全価値が減る。^[14]

遺伝子組み換え作物は、農業で使用される遺伝子組み換え植物です。最初に開発された作物は、動物や人間の食料として使用され、特定の害虫、病気、環境条件、腐敗、化学処理（除草剤への耐性など）に対する耐性を備えています。^{[16]第二世代の作物は、多くの場合、}栄養プロファイルを変更することで品質を向上させることを目的としています。第三世代の遺伝子組み換え作物は、医薬品、バイオ燃料、その他の産業上有用な製品の生産やバイオレメディエーションなど、食品以外の目的に使用できます。^[17]

農業の発展には、生産量の増加、農業従事者の労働条件の改善、持続可能性という3つの主な目的がある。遺伝子組み換え作物は、害虫による被害を減らし、栄養価を高め、さまざまな非生物的ストレスに耐えることで収穫量の向上に貢献する。こうした可能性にもかかわらず、2018年現在、商品化された作物は主に綿、大豆、トウモロコシ、キャノーラなどの換金作物に限られており、導入された形質の大部分は除草剤耐性または害虫抵抗性のいずれかを提供する。^[17]大豆は、2014年に植えられたすべての遺伝子組み換え作物の半分を占めた。 ^[18]農家による導入は急速に進んでおり、1996年から2013年の間に、遺伝子組み換え作物が耕作された土地の総面積は17,000平方キロメートル（420万エーカー）から175万km2（4億3200万エーカー）に100倍に増加し^た。^[19]しかし地理的には普及は非常に不均一で、南北アメリカ大陸とアジアの一部で大きな成長が見られ、ヨーロッパとアフリカではほとんど成長が見られませんでした。^[17]社会経済的な普及はより均等で、2013年には世界中の遺伝子組み換え作物の約54％が開発途上国で栽培されました。 ^[19]

GM作物の大部分は、特定の除草剤（通常はグリホサートまたはグルホシネートをベースとするもの）に耐性を持つように改変されている。除草剤に耐性を持つように改変された遺伝子組み換え作物は、従来の方法で育種された耐性品種よりも現在入手しやすくなっている。 ^[20 ]米国では、大豆の93％と栽培されているGMトウモロコシのほとんどがグリホサート耐性である。 ^[21]昆虫耐性を改変するために使用される現在入手可能な遺伝子のほとんどは、バチルス・チューリンゲンシス細菌に由来する。ほとんどはcryタンパク質として知られるデルタエンドトキシン遺伝子の形をとっているが、少数は栄養性殺虫タンパク質をコードする遺伝子を使用している。^{[22]昆虫保護を提供するために商業的に使用されている遺伝子のうち}、B. thuringiensisに由来しない唯一の遺伝子は、ササゲ トリプシンインヒビター（CpTI）である。CpTIは1999年に綿花での使用が最初に承認され、現在イネでの試験が行われている。^{[23] [24]}遺伝子組み換え作物の1％未満に、ウイルス耐性、老化の遅延、花の色の変更、植物の組成の変更などの他の形質が含まれていました。^[18] ゴールデンライスは、栄養価の向上を目指した最もよく知られた遺伝子組み換え作物です。これは、米の可食部でビタミンAの前駆体であるベータカロチンを生合成する3つの遺伝子を用いて操作されています。 ^[25]食事中のビタミンAが不足している地域で栽培および消費される強化食品を生産することを目的としています。^[26]ビタミンA欠乏症により、毎年5歳未満の子供67万人が死亡し、 ^[27]さらに50万人が回復不能な小児失明を引き起こすと推定されています。^[28] 元のゴールデンライスは1.6μg/gのカロテノイドを生産しましたが、^[29] 2018年に食品としての使用が初めて承認されました。^[30]

植物および植物細胞は、バイオリアクターでバイオ医薬品を生産するために遺伝子組み換えされており、このプロセスはファーミングとして知られています。ウキクサのLemna minor ^[31]、藻類のChlamydomonas reinhardtii ^[32]、およびコケ類のPhyscomitrella patens [33]で研究が行われています。^[34]生産されるバイオ医薬品には、サイトカイン、ホルモン、抗体、酵素、およびワクチンがあり、そのほとんどは植物の種子に蓄積されます。多くの薬物はまた、天然の植物成分を含んでおり、それらの生産につながる経路は、より大量でより良い製品を生産するために遺伝子組み換えされたり、他の植物種に移されたりしています。^{[35]バイオリアクターの他の選択肢は、}バイオポリマー^[36]とバイオ燃料です。^{[37]細菌とは異なり、植物は}翻訳後にタンパク質を改変できるため、より複雑な分子を作ることができます。また、汚染されるリスクも少なくなります。^[38]治療薬はトランスジェニックニンジン細胞とタバコ細胞で培養されており、^[39]ゴーシェ病の薬物治療もその一つである。^[40]

ワクチンの生産と保管は、遺伝子組み換え植物で大きな可能性を秘めています。ワクチンは生産、輸送、投与に費用がかかるため、地元で生産できるシステムがあれば、貧困地域や発展途上地域へのアクセスが向上します。^[35]植物で発現したワクチンを精製するだけでなく、植物で食用ワクチンを生産することも可能です。食用ワクチンは摂取すると免疫系を刺激し、特定の病気から保護します。植物に保存すると、冷蔵保存の必要がなく、精製する必要がなく、長期安定性があるため、長期的なコストが削減されます。また、植物細胞内に収容されているため、消化時に腸酸からある程度保護されます。遺伝子組み換え植物の開発、規制、封じ込めのコストは高く、現在の植物ベースのワクチン開発のほとんどは、規制がそれほど厳しくない獣医学に適用されています。^[41]