По прогнозам, численность населения мира превзойдет нашу способность поддерживать его, основываясь на текущих оценках мирового производства продовольствия, и на горизонте маячит кризис продовольственной безопасности. Чтобы начать решать эти проблемы, большая часть генно-инженерных работ с растениями в сельском хозяйстве была сосредоточена на таких факторах, как повышение уровня белка, масла и питательных веществ, а также поддержание баланса с экологическими проблемами, такими как использование гербицидов и удобрений, а также сезонные сдвиги в наличие и температура воды. Далее рассматриваются конкретные примеры метаболических изменений у видов, имеющих сельскохозяйственное значение.
Лен (Linum usitatissimum) является распространенным сельскохозяйственным товаром, который традиционно используется для приготовления кулинарных масел, в качестве волокнистой культуры и для производства различных химических клеев и красок. Лен имеет соотношение незаменимых жирных кислот омега-линолевой кислоты (LA) и α-линоленовой кислоты (ALA) в соотношении 1: 3, что считается полезным для здоровья человека. ALA помогает блокировать синтез арахидоновой кислоты и эйкозаноидов, которые являются возбудителями воспаления и агрегации тромбоцитов. К сожалению, хотя льняное масло содержит высокие уровни ALA, это соединение не очень стабильно при экстракции и имеет короткий срок годности в кулинарных маслах. Поэтому были приложены огромные усилия для повышения уровня антиоксидантов в льняном масле для защиты от деградации ALA. Один из подходов, используемых для повышения уровня антиоксидантов, заключался в уменьшении притока углерода в флавоноидный путь с помощью РНК-интерференции (RNAi) против CHS, первого и обязательного этапа биосинтетического пути флавоноидов, для увеличения притока в другие фенилпропаноидные соединения, которые, как было предсказано, имеют более высокий антиоксидантный уровень. Это привело к получению льняного масла с более высоким содержанием других продуктов фенилпропаноидной ветви, а также с более высокими концентрациями ALA. В качестве альтернативы, CHS, Chalcone Isomerase (CHI) и DFR также были сверхэкспрессированы в синтезе антиоксидантов в соединения флавоноидов, что также привело к увеличению антиоксидантных свойств.
Картофель (Solanum tuberosum Desiree) является наиболее экономически важной не зерновой продовольственной культурой в мире, занимая 4- е место по общему производству, что определяется тоннажем сельскохозяйственных угодий, используемых за последнее десятилетие. Его ежедневно едят более миллиона человек, и он дополнительно используется для производства кормов для животных. Однако диета, состоящая исключительно из картофеля, не обеспечивает организм всеми незаменимыми аминокислотами. Для повышения концентрации незаменимых аминокислот в картофеле, ген AmA1, который кодирует не аллергенный белок семян альбумина, был выделен из съедобного Amaranthus hypochondriacus и рекомбинантно экспрессирован в картофеле. Это привело к увеличению общего белка на 60% и общему увеличению общей биомассы при сохранении того же уровня незаменимых аминокислот, что и у не рекомбинантных линий. Другим подходом к улучшению питательной ценности картофеля было введение белка 14-3-3, полученного из тыквы (Cucurbita pepo). Известно, что семейство белков 14-3-3 связывается с несколькими белковыми комплексами, регулирующими их активность. Введение этого белка 14-3-3 привело к увеличению растворимого сахара, катехоламинов и общего содержания жира. Был также интерес к увеличению антиоксидантной способности белого картофеля, чтобы более точно имитировать положительную пользу для здоровья, которую дает пурпурный сладкий картофель за счет увеличения антоцианов. Сверхэкспрессия генов CHS, CHI и DFR пути биосинтеза флавоноидов у белого картофеля приводила как к увеличению содержания флавоноидов, так и к соответствующей антиоксидантной способности. Однако также наблюдалось тандемное снижение уровня крахмала и глюкозы. Эти типы непредвиденных результатов часто встречаются при попытке увеличить концентрации конкретных соединений.
Маниока не так часто рассматривается, как другие основные крахмалы, маниока (Manihot esculenta) является критически важной культурой для потребления в мировом масштабе. Это 4- й наиболее культивируемых видов в тропиках и имеет желательные признаки, такие как устойчивость к засухе и длительный срок хранения после сбора урожая. К сожалению, это растение также содержит высокий уровень токсичных цианогенных гликозидов, особенно линамарина, в корнях, стеблях и листьях. Если маниока не приготовлена должным образом и детоксифицирована во время приготовления пищи, могут быть произведены опасные уровни цианида. Чтобы решить эту проблему, первые этапы биосинтеза линамарина были ингибированы посредством индуцированной промотором листьев антисмысловой экспрессии CYP79D1 и CYP79D2. Снижение линамарина на 60–94% наблюдалось в листьях, а на корнях - на 99%.
Представлены успешные варианты рекомбинантных линий, намного более безопасные для использования в качестве источника пищи по сравнению с дикими видами растений.
