Cisgenesis as a novel prospect for crop  improvement. A review

KAROLINA DUDZIAK; MAGDALENA SOZONIUK; KRZYSZTOF KOWALCZYK; MICHAŁ NOWAK

doi:10.24326/as.2019.2.1

Tom 74 Nr 2 (2019)

Artykuły

Cisgeneza jako perspektywa dla hodowli roślin. Praca przeglądowa

KAROLINA DUDZIAK⁺⁻
MAGDALENA SOZONIUK⁺⁻
KRZYSZTOF KOWALCZYK⁺⁻
MICHAŁ NOWAK⁺⁻

PDF (English)

DOI: https://doi.org/10.24326/as.2019.2.1
Przesłane: 4 września 2019
Opublikowane: 05-09-2019

Abstrakt

Streszczenie. W dzisiejszych czasach rozwój nowych technik biotechnologii jest konieczny, aby zaspokoić oczekiwania rynku dotyczące produkcji odpowiedniej ilości żywności dobrej jakości. Zastosowanie innowacyjnych metod skutkuje zwiększeniem wydajności oraz jakości plonu. Najbardziej efektywne programy hodowlane oparte są na modyfikacjach genetycznych, co w dalszym ciągu jest bardzo kontrowersyjną kwestią. Przeciwnicy GMO nie akceptują użycia inżynierii genetycznej w podwyższaniu plonu roślin oraz wytwarzaniu nowych odmian dostosowanych do rolnictwa ekologicznego. Kwestią sporną pomiędzy środowiskiem naukowym a mediami jest możliwość występowania niezmierzonych konsekwencji stosowania GMO zarówno dla zdrowia człowieka jak i środowiska naturalnego. Obawy polityczne, medialne oraz etyczne są głównie związane z transgenezą. Nowe strategie i techniki są wymagane w rozwoju genetycznie modyfikowanych roślin przyszłości. Obecnie dokładniejszym badaniom poddawana jest metoda zwana „cisgenezą”. W tym artykule skupiono się na najbardziej powszechnych strategiach zwiększania plonu roślin oraz przedstawieniu cisgenezy jako bezpiecznej alternatywy dla transgenezy.

Bibliografia

Barbieri M., Belfanti E., Tartarini S., Vinatzer B.A., Sansavini S., Silfverberg-Dilworth E., Gianfranceschi L., Hermann D., Patocchi A., Gessler C., 2003. Progress of map-based cloning of the Vf-resistance gene and functional verification: preliminary results from expression stud-ies in transformed apple. HortScience 38, 329–331.
Belfanti E., Silfverberg-Dilworth E., Tartarini S., Patocchi A., Barbieri M., Zhu J., Vinatzer B.A., Gianfranceschi L., Gessler C., Sansavini S., 2004. The HcrVf2 gene from a wild apple confers scab resistance to a transgenic cultivated variety. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 886–890, https://doi.org/10.1073/pnas.0304808101.
Bergelson J., Kreitman M., Stahl E. A., Tian D., 2001. Evolutionary dynamics of plant R-genes. Science 292, 2281–2285, https://doi.org/10.1126/science.1061337.
Cardi T., 2016. Cisgenesis and genome editing: Combining concepts and efforts for a smarter use of genetic resources in crop breeding. Plant Breed. 135(2), 139–147, https://doi.org/ 10.1111/pbr.12345.
Conner A.J., Barrell P.J., Baldwin S.J., Lokerse A.S., Cooper P.A., Erasmuson A.K., Nap J.P.H., Jacobs J.M.E., 2006. Intragenic vectors for gene transfer without foreign DNA. Euphytica 154(3), 341–353, https://doi.org/10.1007/s10681-006-9316-z.
den Nijs H.C.M., Bartsch D., Sweet J., 2004. Introgression from genetically modified plants into wild relatives. CABI, Wallingford.
Edenbrandt A.K., House L.A., Gao Z., Olmstead M., Gray D., 2018. Consumer acceptance of cis-genic food and the impact of information and status quo. Food Qual. Prefer. 69, 44–52, https://doi.org/10.1016/j.foodqual.2018.04.007.
Gao Y., de Bang T.C., Schjoerring J.K., 2018. Cisgenic overexpression of cytosolic glutamine synthetase improves nitrogen utilization efficiency in barley and prevents grain protein decline under elevated CO2. Plant Biotechnol. J. 1–13, https://doi.org/10.1111/pbi.13046.
Holme I. B., Dionisio G., Brinch-Pedersen H., Wendt T., 2012. A cisgenic approach for improving the bioavailability of phosphate in the barley grain, Isb News Report, Vol. March, 8–11.
Holme I. B., Wendt T., Holm P. B., 2013a. Current Developments of Intragenic and Cisgenic Crops. Isb News Report (July), http://www.isb.vt.edu/news/2013/Jul/HolmeWendtHolm.pdf.
Holme I.B., Wendt T., Holm P.B., 2013b. Intragenesis and cisgenesis as alternatives to transgenic crop development. Plant Biotechnol. J. 11(4), 395–407, https://doi.org/10.1111/pbi.12055.
Hou H., Atlihan N., Lu Z.X., 2014. New biotechnology enhances the application of cisgenesis in plant breeding. Front. Plant Sci. 5, 389, https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00389.
Jacobsen E. and Schouten H. J., 2009. Cisgenesis: an important sub-invention for traditional breed-ing companies. Euphytica 170:235–247, https://doi.org/10.1007/s10681-009-0037-y.
James C., 2011. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2011. ISAAA Brief 43. ISAAA, Ithaca, NY.
Jo K.R., Kim C.J., Kim S.J., Kim T.Y., Bergervoet M., Jongsma M.A., Visser R.G., Jacobsen E., Vossen J.H., 2014. Development of late blight resistant potatoes by cisgene stacking. BMC Bi-otechnol. 14, 50, https://doi.org/10.1186/1472-6750-14-50.
Jochemsen H., Schouten H.J., 2000. Ethische beoordeling van genetische modificatie. In: Jochem-sen, H. (ed.), Toetsen en Begrenzen. Een Ethische en Politieke Beoordeling van de Moderne Biotechnologie. Buijten and Schipperheijn, Amsterdam, , 88–95.
Joshi S.G., 2010. Towards durable resistance to apple scab using cisgenes. Wageningen University, Wageningen, PhD Thesis.
Keller B., Feuillet C., Messmer M., 2001. Genetics of disease resistance. Basic concepts and applica-tion in resistance breeding. In: Slusarenko A.J., Fraser R.S.S., van Loon L.C. (eds), Mecha-nisms of Resistance to Plant Diseases. Kluwer Academic Press, 101–160.
Kost T.D., Gessler C., Jänsch M., Flachowsky H., Patocchi A., Broggini G.A.L., 2015. Develop-ment of the first cisgenic apple with increased resistance to fire blight. PLoS ONE 10(12), 1–17, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143980.
Lombardo L., Zelasco S., 2016. Biotech approaches to overcome the limitations of using transgenic plants in organic farming. Sustainability (Switzerland) 8(5), 1–7.
Lusser M., Parisi C., Plan D., Rodríguez-Cerezo E., 2011. New plant breeding techniques: State-of-the-art and prospects for commercial development (JRC IPTS Report EUR 24760 EN). Seville: JRC, Institute for Prospective Technological Studies (IPTS).
Maltseva E.R., Iskakova G.A., Rsaliev A.S., Skiba Y.A., Naizabaeva D.A., Ismagulova G., Ismagul A., Eliby S., 2018. Assessment of cisgenic bread wheat lines carrying class I chitinase gene to leaf rust. J. Biotechnol. 280:S80-S81, https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2018.06.264.
Nielsen K.M., 2003. Transgenic organisms – time for conceptual diversification? Nat. Biotechnol. 21(3), 227–228, https://doi.org/10.1038/nbt0303-227.
Rommens C.M., Humara J.M., Ye J., Yan H., Richael C., Zhang L., Perry R., Swords K., 2004. Crop improvement through modification of the plant’s own genome. Plant Physiol. 135, 421–431, https://doi.org/10.1104/pp.104.040949.
Russell A.W., Sparrow R., 2008. The case for regulating intragenic GMOs. J. Agric. Environ. Ethics 21(2), 153–181, https://doi.org/10.1007/s10806-007-9074-5.
Schmidt R., 2002. Plant genome evolution: lessons from comparative genomics at the DNA level. Plant Mol. Biol. 48, 21–37, https://doi.org/10.1007/978-94-010-0448-0_2.
Schouten H.J., Krens F.A., Jacobsen E., 2006. Cisgenic plants are similar to traditionally bred plants: international regulations for genetically modified organisms should be altered to exempt cisgenesis. EMBO Rep. 7(8), 750–753, https://doi.org/10.1038/sj.embor.7400769.
Szankowski I., Waidmann S., Degenhardt J., Patocchi A., Paris R., Silfverberg-Dilworth E., Brog-gini G., Gessler C., 2009. Highly scab-resistant transgenic apple lines achieved by introgres-sion of HcrVf2 controlled by different native promoter lengths. Tree Genet. Genomes 5, 349–358, https://doi.org/10.1007/s11295-008-0191-8.
Tamang T., Park J., Kakeshpour T., Valent B., Jia Y., Want G., Park S., 2018. Development of selectable marker-free cisgenic rice plants expressing a blast resistance gene Pi9. World Con-gress on In vitro Biology, 54, 544.
Vanblaere T., Szankowski I., Schaart J., Schouten H., Flachowsky H., Broggini, G.A. L., Gessler C., 2011. The development of a cisgenic apple plant. J. Biotechnol. 154, 304–311, https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2011.05.013.
Würdig J., Flachowsky H., Saß A., Peil A., Hanke M.V., 2015. Improving resistance of different apple cultivars using the Rvi6 scab resistance gene in a cisgenic approach based on the Flp/FRT recombinase system. Mol. Breed. 35(3), 1–18, https://doi.org/10.1007/s11032-015--0291-8.