Da molte centinaia di anni le piante coltivate vengono modificate al fine di renderle sempre più adatte alle esigenze dell'uomo. I primi agricoltori miglioravano le colture semplicemente selezionando i semi delle piante che avevano i caratteri desiderati; in seguito gli agronomi hanno sviluppato degli schemi rigorosi di incroci fra piante al fine di introdurre e di mantenere determinati caratteri nelle linee incrociate.
Tuttavia i metodi classici di incrocio delle piante sono lenti e incerti.

L'introduzione di un gene desiderato o di un gruppo di geni tramite i metodi convenzionali richiede un incrocio sessuale tra due linee, seguito da ripetuti reincroci fra la progenie ibrida e uno dei genitori finchè non si ottenga una pianta con le caratteristiche volute. Tale processo, inoltre è limitato alle piante che possono ibridarsi sessualmente e in esso, fatalmente, verranno trasferiti altri geni assieme a quello desiderato.

Con l'avvento delle tecniche del DNA ricombinante si possono invece trasferire geni tra specie vegetali non incrociabili o introdurre nelle piante geni di organismi non vegetali (ad esempio batterici). Da un certo punto di vista, le tecnologie transgeniche non fanno altro che riproporre in forma più rapida e definitiva ciò che da sempre si cerca di fare con le piante: selezionare una caratteristica per darle vantaggio sulle altre. Gli esperimenti di ingegneria genetica sono rivolti a conferire proprietà desiderabili ai prodotti agricoli ovvero ad ottenere il miglioramento di caratteri agronomicamente utili.

Il trasferimento genico, però, può intervenire in maniera efficace soltanto su caratteri che possono essere governati da geni singoli, mentre i caratteri, come la resa dei raccolti, che dipendono da un numero elevato di geni e da svariati percorsi metabolici interconnessi sono estremamente difficili da trattare.

Le tecniche usate prevedono, come abbiamo già visto, il clonaggio e l'isolamento del gene di interesse, l'inserimento del gene in un vettore molecolare di espressione e la trasformazione delle cellule vegetali o dei protoplasti, a partire dai quali viene poi rigenerata la pianta intera. La manipolazione delle piante è meno complessa (e più economica) di quella degli animali. A tutt'oggi, infatti, sono state prodotte numerose piante transgeniche ed alcune vengono già commercializzate (soprattutto negli Stati Uniti, mentre quelle ammesse in Europa sono poche).

Molte altre piante transgeniche sono all'esame delle commissioni competenti dei vari paesi (ad esempio la Food and Drug Adminstration o FDA, negli Stati Uniti), le quali devono autorizzare, o meno, l'immissione di organismi geneticamente modificati nell'ambiente e la loro commercializzazione. Una quantità incredibile di nuove piante, infine, è attualmente in fase di studio in moltissimi centri di ricerca pubblici e privati.

Nella maggioranza dei casi, i cambiamenti introdotti in queste colture consistono nella resistenza a parassiti, a malattie o a particolari erbicidi, ma, per quello che riguarda le piante di importanza agro-alimentare, sono in corso ricerche che riguardano praticamente a tutti i caratteri di rilevanza economica: proprietà nutritive, resa superiore, tempo di maturazione dei frutti, controllo delle fasi di dormienza, durata dei fiori recisi o dei vegetali e così via.

Con le tecniche del DNA ricombinante si possono perciò trasferire geni tra specie vegetali non incrociabili o introdurre nelle piante geni di organismi non vegetali, ad esempio batteri, con la produzione di piante con caratteristiche completamente nuove. Gli esperimenti di ingegneria genetica sono rivolti a conferire le proprietà migliori ai prodotti agricoli ovvero ad ottenere il miglioramento di caratteri agronomicamente utili.

La possibilità più importante nella manipolazione di organismi vegetali è la capacità di rigenerare piante fertili da tessuti o cellule differenziate; la capacità rigenerativa delle piante è la caratteristica più utile per la tecnologia del DNA ricombinante; infatti un esemplare può essere rigenerato da una singola cellula fatta crescere in coltura.
La produzione di piante transgeniche si effettua, come già precedentemente indicato, mediante l'incorporazione di DNA esogeno nelle cellule singole o nei protoplasti, il trasferimento genico però può avvenire in modo efficace soltanto su caratteri che possono essere governati da geni singoli. Il vettore più efficiente per il trasferimento di DNA esogeno nelle piante è rappresentato da un plasmide batterico portato da Agrobacterium tumefaciens; questo batterio è un Gram negativo che causa tumori chiamati "tumori della galla del colletto". L'agente induttore del tumore è, più precisamente, il plasmide Ti (Ti sta a significare induttore di tumore) che è costituito da una molecola circolare di DNA a doppia elica, di grandi dimensioni e contiene molti geni implicati nel processo infettivo. L' aspetto più rilevante del plasmide Ti è che dopo l'infezione una parte della molecola rimane integrata nel DNA cromosomico delle cellule della pianta; questo segmento è chiamato T-DNA (o regione T) e porta i geni responsabili della crescita tumorale della cellula vegetale. I ricercatori sono stati in grado di costruire dei vettori, derivati dal plasmide Ti, nei quali i geni responsabili della comparsa del tumore sono stati eliminati e al loro posto è stato inserito il gene esogeno che si vuole trasferire nella pianta.

Geneticamente le piante presentano vantaggi e svantaggi nelle applicazioni biotecnologiche:
- uno svantaggio è causato dalla poliploidia che a volte caratterizza i vegetali (che determina la presenza di genomi estremamente grandi),
- un secondo svantaggio è dato dalle piante monocotiledoni difficili da trasformare con i sistemi vettoriali del DNA comunemente impiegate per le dicotiledoni perché i vettori batterici come l'Agrobacterium tumefaciens sono in grado di infettare solo le piante dicotiledoni; in questo caso gli scienziati ricorrono a una tecnica più complessa, la biobalistica: bombardano le cellule delle piante da modificare con minuscole biglie d'oro o tungsteno ricoperte dai geni che vogliono inserirvi. Le cellule sopravvissute che sono riuscite ad acquisire i nuovi geni daranno alla luce le piantine transgeniche.
Quando una pianta viene ferita, sotto l'incisione cresce un rigonfiamento chiamato callo, il quale contiene cellule che, poste in un terreno di coltura con un giusto apporto di ormoni e nutrienti, continuano a crescere e a proliferare. Un callo può essere trasferito in un mezzo liquido e dissociato meccanicamente in una sospensione di cellule isolate; le colture cellulari possono essere mantenute come microrganismi unicellulari anche se la loro crescita è molto più lenta. Utilizzare le piante per l'ingegneria genetica è abbastanza complesso, anche se più semplice rispetto agli animali; infatti esse sono ricoperte dalla cellulosa che deve essere degradata con la cellulasi per arrivare ad ottenere una cellula tondeggiante detta protoplasto. Quest'ultima si ottiene da calli, frammenti di tessuto, porzioni di foglie e viene messa in una soluzione di cellulasi per bilanciare il livello osmotico; può essere manipolata fondendosi con altri protoplasti, oppure incorporare direttamente frammenti di DNA capaci di rigenerare piante intere.
I principali cambiamenti effettuati dalle biotecnologie per le colture erbacee riguardano soprattutto l'aumento della resistenza a parassiti o erbicidi per diminuire i costi ed aumentare la produzione. Notevoli risultati sono stati ottenuti nei confronti delle infezioni virali.
L'approccio seguito dai biologi molecolari prevede la produzione di piante transgeniche che contengono un gene virale che codifica per una proteina dell'involucro esterno del virus, la quale si pensa interferisca con la penetrazione e la replicazione di altri virus infettanti. I risultati più promettenti si sono per ora ottenuti nei confronti delle infezioni virali. E' da tempo noto che l'infezione di una pianta con un ceppo di virus che produce soltanto lievi effetti protegge la pianta stessa dalle infezioni da parte di ceppi più dannosi (protezione crociata). Il meccanismo per il quale avviene la protezione crociata non è interamente noto, ma si pensa che la presenza di alcune proteine virali nella cellula vegetale interferisca con la penetrazione e la replicazione di altri virus infettanti.

In maniera analoga sono state prodotte anche piante di pomodoro e di patata. Altri esperimenti vengono condotti per produrre piante transgeniche resistenti a batteri e funghi patogeni. Da circa trenta anni si utilizzano fitofarmaci naturali ottenuti da microrganismi: l'esempio più noto è rappresentato dalla tossina del batterio Bacillus thuringiensis (Bt); i biologi molecolari vegetali hanno invece pensato di sviluppare piante transgeniche in grado di esprimere la tossina del batterio dentro le loro cellule.
Il gene per la proteina Bt si trova su un plasmide di un batterio e codifica una proteina in forma inattiva, la quale si trasforma in attiva quando viene ingerita dalle larve di un insetto; gli enzimi digestivi dell'insetto modificano la struttura chimica della proteina trasformandola in un composto tossico. La tossina attiva inibisce l'azione delle cellule che ricoprono l'intestino dell'insetto, che muore per denutrizione. Il gene per la tossina Bt è già stato introdotto con la tecnologia del DNA ricombinante in numerose specie vegetali fra cui il tabacco, il pomodoro, il cotone e il mais. Le piante così trasformate sono in grado produrre la tossina Bt che rimane nelle cellule vegetali in forma inattiva. Quando le piante vengono aggredite dagli insetti nocivi sensibili alla tossina del suddetto batterio, i danni causati alla piante sono minimi, mentre le larve muoiono rapidamente, in seguito all'ingestione di frammenti di foglie che contengono la tossina Bt.

L'identificazione e il trasferimento di geni per la resistenza agli erbicidi nelle piante da raccolto ha dunque l'obiettivo di proteggere queste ultime dagli effetti dell'erbicida.
Solitamente gli erbicidi disattivano specifici enzimi cellulari (ma per molti erbicidi il meccanismo d'azione non è noto). Il glifosato (o glifosate), un composto a largo spettro d'azione attualmente molto diffuso, uccide le piante inibendo la 5-enolpiruvilshikimato 3-fosfato sintasi (EPSP), un enzima necessario per la biosintesi degli aminoacidi aromatici presente nel cloroplasto.
Per ottenere la resistenza agli erbicidi sono state seguite tre diverse strategie:

1) stimolare la sovraespressione delle proteine bersaglio dell'erbicida, in modo che una quota sufficiente di proteine riesca ad evitare l'inattivazione da parte dell'erbicida;
2) inserire una forma geneticamente alterata della proteina bersaglio, che sia meno sensibile all'erbicida.
3) far produrre alle coltivazioni un enzima capace di convertire l'erbicida in una forma non tossica per la pianta.

Il primo e il secondo metodo sono già stati usati; mentre il terzo è in fase di studio. In Escherichia coli è stato isolato un gene per un enzima EPSP mutante che è 6000 volte meno sensibile al glifosato dell'enzima vegetale. L'enzima batterico, però, manca del "peptide di transito vegetale" cioè di una porzione della proteina necessaria per indirizzare l'EPSP nel cloroplasto (dove può funzionare). Per superare questo problema è stato costruito un gene di fusione che lega la regione codificante dell'EPSP batterico con la sequenza di un "peptide di transito" della pianta. Le petunie e le piante di tabacco trasformate con questo gene di fusione esprimono l'enzima ricombinante EPSP nel cloroplasto in aggiunta alla loro proteina normale.

Fra le varie piante transgeniche rese resistenti agli erbicidi, ha notevolmente attirato l'attenzione pubblica la soia (Glycine max) transgenica che contiene il gene di origine batterica per la resistenza al glifosato. Questa soia è stata creata e commercializzata da una società multinazionale di base statunitense (la Monsanto) che è anche la produttrice dell'erbicida Roundup, il cui ingrediente attivo è il glifosato.
Al di là degli aspetti commerciali che riguardano questo caso specifico (gli agricoltori dovrebbero comprare dalla Monsanto sia l'erbicida che la soia transgenica resistente ad esso), sono stati sollevati dei timori relativi alla possibilità che le piante transgeniche resistenti agli erbicidi possano trasferire alle specie normali, tramite il proprio polline, questa resistenza, determinando così la comparsa di infestanti super-resistenti.

Nelle fasi di stoccaggio e trasporto della frutta e degli ortaggi si possono avere perdite ingenti a causa di ammaccature, danni causati dal freddo o dal calore, eccessiva maturazione, sapori e odori sgradevoli e così via. Molti di questi cambiamenti sono legati ad attività di enzimi presenti nei prodotti stessi.

Nel pomodoro, l'enzima poligalatturonasi degrada i componenti della parete cellulare così che, maturando, il frutto diventa più molle. I ricercatori hanno scoperto che la trasformazione delle piante di pomodoro con una copia "antisenso" del gene della galatturonasi fa diminuire l'espressione di questa proteina del 90%.
Per creare il gene antisenso è stato fuso un cDNA del gene della galatturonasi, con orientamento invertito, con un promotore forte. Questo gene invertito, o antisenso, è stato saldato ad un plasmide Ti per Agrobacterium tumefaciens ed introdotto in piante di pomodoro. Durante la trascrizione genica vengono prodotte molecole di RNA messaggero antisenso che sono complementari alle molecole di mRNA normali. Gli mRNA antisenso si legano per appaiamento di basi ad una certa quota di mRNA normali, formando un RNA a doppia elica che non può venire tradotto in proteina e viene rapidamente distrutto. Il risultato è che la sintesi dell'enzima poligalatturonasi,responsabile dell'am-morbidimento del pomodoro, viene drasticamente ridotta.

L'industria della floricoltura sta sperimentando delle tecniche del DNA ricombinante come mezzo per realizzare fiori con nuove varietà di colori e diverse forme. I primi esperimenti sono stati condotti sul colore delle petunie; le antocianine costituiscono la maggior parte di pigmenti rossi e blu che si trovano in esse. Un gene che codifica per un enzima posto nella via biosintetica delle antocianine è stato introdotto in una variante della petunia di colore rosa pallido ottenendo così diverse piante con i fiori di colore più intenso. Si supponeva che incrementando il dosaggio genico la pianta avrebbe prodotto fiori di colore più scuro o di un nuovo colore; il risultato invece fu diverso in quanto si ottennero fiori assolutamente insoliti con corolle screziate in vario modo. Ciò fu dovuto al fatto che in certe cellule la presenza di un gene addizionale per il pigmento aveva portato all'inattivazione sia del transgene che del gene endogeno.

L'ingegneria genetica offre inoltre i seguenti mezzi per ridurre l'uso dei fertilizzanti e l'impoverimento del terreno:
- la produzione dei batteri azotofissatori ad esempio può essere raggiunta modificandoli in modo che si adattino a convivere in simbiosi con ogni tipo di pianta e non solo con le leguminose;
- una possibilità alternativa è quella di inscrivere i geni responsabili della fissazione dell'azoto in altre varietà batteriche più adatte a colonizzare le radici dei cereali;
- si possono produrre piante transgeniche da coltivazione in grado di fissare esse stesse l'azoto; in questo caso i geni batterici responsabili della fissazione dell'azoto dovrebbero essere trasferiti direttamente nel corredo genetico delle piante diventando autofertilizzanti.