Mejoramiento Convencional Y Cultivos Mejorados Genéticamente (Transgénicos)

MSc. Giovanni Garro M. 1

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Desarrollo de cultivos vegetales – Historia Domesticación de cultivos Se han modificado cultivos por cerca de 10.000 años por medio de la Selección artificial dirigida Todos los cultivos que hoy se conocen han sufrido una serie de cambios genéticos intensos a partir de sus ancestros

Desarrollo de cultivos vegetales – Historia Diversos Cultivos, variedades y genes, se han movido alrededor del mundo !!

Domesticación del maíz creó una nueva especie en el proceso: Zea mays

Domesticación del maíz creó una nueva especie en el proceso: Zea mays

Mejoramiento genético convencional de cultivos vegetales • Técnicas aplicadas al desarrollo de nuevas variedades: – Hibridación • Cruces con parientes silvestres • Híbridos entre variedades – Mutación dirigida • Irradiación • Uso de químicos – Cultivo de tejidos • Rescate de embriones • Variación Somaclonal

Mejoramiento genético convencional de cultivos vegetales Aumento de la Diversidad de cultivares

Selección de características de valor agronómico

Porte / Talla

Sanidad vegetal

Productividad

Cortesía: Dr. Muñoz- Dole

Cortesía: Dr. Muñoz- Dole

Mejoramiento genético convencional de cultivos vegetales

Cortesía: Dr. Muñoz- Dole

Mejoramiento Genético Moderno (no convencional)

Permite insertar uno o varios genes para lograr un característica de interés

Cultivos MG – – – –

Bastante específico Predecible Permite flexibilidad Rápido (5 años **)

Mejoramiento Genético Moderno es complementario al Convencional CONVENCIONAL

Moderno

Cruce sexual, Hibridación

Ingeniería genética

20 - 30%

Transferencia de Material genético

1 - 3%

Características poligénicas

Características monogénicas

(muchos genes)

(un solo gen)

•Productividad

Resistencia

•Talla

Nuevo compuesto

•Vigor

Color

Organismo Transgénico: un organismo que contiene genes clonados que son introducidos e incorporados de manera que pueden ser heredados a generaciones posteriores (ILSI 2000)

Organismo genéticamente modificado: Un organismo cuya constitución genética ha sido modificada por medio de: la introducción de genes foráneos, hibridación genética, mutagénesis inducida, cultivo in vitro, etc.

Organismo vivo modificado Protocolo de Cartagena Ley 8537, Artículo 3 (27 nov 2006)

Técnica de ingeniería genética Organismo donador de genes

Organismo geneticamente modificado (OGM)

ADN del organismo donador

Introducción en Célula vegetal o microorganismo

Selección del gen apropiado

Señales génicas

Diseño de un fragmento específico del ADN

Ingeniera Genética Natural

ADN cromosomal

Plásmido Ti T-DNA Cromosoma

T-DNA

Agalla corona

A. tumefaciens Agrobacterium tumefaciens

Cromosoma de Planta conteniendo T-DNA

Planta con agalla de corona naturalmente transgénica

Agroinfección Agrobacterium tumafaciens

Biobalística Introducción de ADN foráneo en tejidos vegetales por medio del bombardeo del tejido con microproyectiles compuestos de partículas (oro/tungsteno) recubiertas de ADN los cuales son impulsados por una corriente de gas (helio)

Diseños comerciales de Pistolas de Genes

“Gene Gun” PDS-1000 BioRad

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Ejemplos de CGMs Desarrollados para la Agricultura Productos de primera generación

Resistencia a insectos

ADN Bacillus thuringiensis

Resistencia a virus

Papa, Maíz, Algodón Bt

(Resistencia derivada del patógeno)

ADN

Papa, Maíz, Arroz, Melón Tuber RFMV Moth

Virus

RHBV

CMV

Resistencia a herbicidas

ADN Streptomyces

Maíz, Soya, Algodón, Canola Roundop

Ejemplos de OGMs Desarrollados para la Agricultura Productos de segunda generación

Maduración retardada

o

ADN

Plantas o bacterias

Tomate, Papaya, Piña, Papa y Manzana flavor savor (anti sentido- gen sínteis del etileno)

Tolerancia a aluminio, salinidad

ADN

Pseudomonas

Modificaciones en su composición

Plantas

ADN

Maíz, tabaco, arroz Productos de tercera generación

Canola y Girasol - aceite (ácidos grasos no saturados) Arroz - -caroteno e incremento de hierro Papa- Enzimas que evitan oxidación Petunia - patrones de floración

Cultivos Mejorados Genéticamente con características agronómicas

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Cultivos Mejorados Genéticamente con características agronómicas

Introducción a la Biotecnología 2013 MSc. Giovanni Garro M.

INHIBICIÓN DE LA OXIDACIÓN EN MANZANAS Golden Delicious y Granny Smith contienen un gen sintético que reduce producción de polifenoloxidasas, enzimas responsables del color marrón de la oxidación.

Okanagan Specialty Fruits

Técnica de interferencia del ARN, el cual anula al gen endógeno. www.youtube.com/watch?v=g2-BqBZmVd0 MSc. Giovanni Garro M.

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Historia y perspectivas

Incremento del valor nutritivo  Composición de aceites  Incremento vitamina A, hierro (arroz)  Incremento en aminoácidos esenciales  Mejora de pastos y forrajes

Presencia de vacunas orales Proteínas interés farmacéutico **

Procesado de alimentos  Tomates de maduración retardada  Evitar la oxidación en papas

 Resistencia a herbicidas (Soja Roundup Ready)  Resistencia a plagas (Maíz Bt, MON810,...)

Cuadro 1. Alimentos transgénicos enriquecidos con vitaminas Vitaminas

Vitamina A

Vitamina C

Ácido fólico

Especie

Gen utilizado

Maíz (Zea mays)

PacrtB y PacrtI

Maíz (Zea mays)

ZmpsyI, PacrtI, PcrtW, Gllycb

Maíz (Zea mays)

ZmpsyI, PacrtI

Trigo (Triticum aestivum)

ZmpsyI, PacrtI

Papa (Solanum tuberosum)

EuCrtB, EuCrtI, EuCrtY

Papa (Solanum tuberosum)

BoOr

Papa (Solanum tuberosum)

ArZEP

Papa (Solanum tuberosum)

PacrtB

Yuca (Manihot esculenta)

PacrtB

Arroz (Oryza sativa)

NppsyI, EucrtI

Arroz (Oryza sativa)

ZmppsyI, EucrtI

Maíz (Zea mays)

Osdhar

Tomate (Solanum lycopersicum)

Acggp

Papa (Solanum tuberosum)

SrVTC2A

Arroz (Oryza sativa)

Atgtpchi, Atades

Tomate (Solanum lycopersicum)

Atgch, AtadesI

Cuadro 1. Alimentos transgénicos enriquecidos con minerales Minerales

Hierro (Fe)

Zinc (Zn)

Selenio (Se)

Calcio (Ca)

Especie

Gen utilizado

Arroz (Oryza sativa)

Osnas2

Arroz (Oryza sativa)

Gmferritin, Afphytase, Osnas1

Arroz (Oryza sativa)

Etiquetado de activación de Osnas3

Maíz (Zea mays)

Gmferritin, Afphytase

Yuca (Manihot esculenta)

CrfeaI

Arroz (Oryza sativa)

Etiquetado de activación de Osnas2

Arroz (Oryza sativa)

Osnas2

Arroz (Oryza sativa)

Gmferritin, Afphytase, Osnas1

Yuca (Manihot esculenta)

AtzatI

Yuca (Manihot esculenta)

Atzip

Mostaza (Brassica juncea)

AtapsI

Mostaza (Brassica juncea)

AbsmtI

Zanahoria (Daucus carota)

scaxI

Lechuga (Lactuca sativa)

scaxI

Papa (Solanum tuberosum)

scaxI, cax2b chimeric Fuente: Perez-Massot et al, 2012

Ingo Potrykus ETH Zurich

Peter Beyer Univ. of Freiburg

Narcissus sp

Erwinia uredovora

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Una taza de ∼100 to 150 g Golden Rice cocinado (50 g peso seco) puede proveer el ∼60% de la ingesta de vitamin A recomendada para niños de 6-8-años b-Carotene in Golden Rice is as good as b-carotene in oil at providing vitamin A to children1–4. Tang, et al. 2012. Am J Clin Nutr 2012;96:658–64. Printed in USA. 2012 American Society for Nutrition

31

Los Celíacos y el Gluten de los cereales 85%

Péptidos que al digerirlos se rompen en los aminoácidos glutamina y prolina que desencadenan la lesión intestinal en los celiacos

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Reducción en el contenido de gluten / aumento de lisina en arroz y otros cereales Nutriente/ Cultivo

Gen Introducido/ Modificado

Promotor usado Transgénico Vrs silvestre

Referencia

Amino ácidos/ Arroz

GluB (ARN

CaMV (35S)

Kusaba et al. 2003

silencing)

CTA (alterado) t Rna lisina

Giardi et al. 2010

Bajo contenido Glutenina

Ubi

Wu et al. 2003 41.42% vrs 0.81% lisina

Kusaba M, Miyahara K, Iida S et al. Low glutelin content1: A dominant mutation that suppresses the glutelin multigene family via RNA silencing in rice. Plant Cell 2003; 15:1455-1467. Wu XR, Chen ZH, Folk WR. Enrichment of cereal protein lysine content by altered tRNAlys coding during protein synthesis. Plant Biotechnol J 2003; 1:187-194.

MSc. Giovanni Garro M. 33

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Arroz

Costa Rica- Universidades Oryza sativa var. indica

Resistencia al virus de la Hoja Blanca del arroz: genes de la replicase del virus y gen Bar

Evaluación de campo y nutricional

CIBCM, UCR.

Maíz CIBCM y Resistencia al virus del Rayado Fino Biología, UCR, Zea mays L. del maíz (MRFV) genes de cubierta Laboratorio CINVESTAV, protéica Bar México

Tiquisque Xanthosoma sagittifolium

Plátano: Musa sp.

Bananos: Musa sp

Genes marcadores (Bar, Gus, hph y NPT) para futura inducción de Laboratorio resistencia a la enfermedad fúngica y bacteriana (“Mal de sequía”)

Resistencia a Sigatoka negra (Mycosphaerella fijiensis) genes de Glucanase y quitinase , Gus, hph y NPT Resistencia a Sigatoka negra (Mycosphaerella fijiensis) genes de Glucanase y quitinase , Gus, hph y NPT

CIA UCR

CATIE, Laboratorio CINVESTAV, Invernadero México y CORBANA

Banano y Plátano

CORBANA y Invernadero CINVESTAV, México

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Producción de compuestos de importancia farmacológica A. rhizogenes para la producción de compuestos con actividad biológica en raíces de cabellera in vitro de Uncaria tomentosa

Producción del gen de Insulina humana en Tabaco in vitro

Beneficios y potencial del uso de la técnica cultivos transgénicos

Distribución de los beneficios del algodón Bt (millones de $) Alabama

300 250

Beneficios Totales (millones $US)

Porción promedio de los beneficios, 1996-98

63

Industria

200

93

141

Industria

100 80

97

58

37

37

-22 1996

-12

-14

1997

1998

0 -50

Agricultores E.U. Consumidores

50

19%

36%

85

150

Consumidores

Agricultores extranjeros

Fuente: Falck-Zepeda, Traxler & Nelson, 2000

Agricultores E.U.

45%

Aplicaciones de pesticidas al algodón para Budworm/Bollworn en E.U. por estado

BBW pest. applications

AZ

AL

FL

GA

LA

MS

SC

Avg

6

4

2

0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Produccion soya en Argentina & Brasil RR soy introduced

60

Brazil Argentina

40 30 20 10

2002

2000

1998

1996

1994

1992

1990

1988

1986

1984

1982

1980

0

1978

Production (m. mt.)

50

Producción de proteínas de interés farmacéutico en plantas Planta

Proteína

Aplicación

Tabaco

Proteína C

Anticoagulante

Canola

Hirudina

Inhibidor de trombina (anticoagulante)

Tabaco

Citoquina G-MCSF

Neutropenia

Tabaco, girasol

Hormona de crecimiento

Déficit en hormona de crecimiento

Tabaco

Eritropoyetina

Anemia

Tabaco

Factor de crecimiento epidérmico

Cicatrización y control de la proliferación celular

Arroz, nabo

Interferón alfa

Tratamiento de la hepatitis B y C

Tabaco

Interferón beta

Tratamiento de la hepatitis B y C

Tabaco, papa

Sero-albúmina

Cirrosis, cirugía, quemaduras

Tabaco

Hemoglobina

Sustituto sanguíneo

Tabaco

Colágeno

Cirugía plástica, tratamiento de heridas

Arroz

Alfa1-antitripsina

Fibrosis quística, deficiencia hepática y hemorragia

Maíz

Aprotinina

Transplantes

Papa

Lactoferrina

Antimicrobiano

Tabaco, soja

Anticuerpos

Diagnóstico, cáncer

Daniell H , Streatfield SJ, Wycoff K. 2001. Medical molecular farming: production of antibodies, biopharmaceuticals and edible vaccines in plants. Trends Plant Sci., 6: 219-226. Ma J, Drake P, Christou P. 2003. The production of recombinant pharmaceutical proteins in plants. Nature Rev. Genetics, 4: 794-805

Pfizer-Protalix $65 Millons 2009

Bioseguridad de la Biotecnología Agrícola

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Presencia de alérgenos

Composición nutricional

Nivel de tóxicos

Impacto ambiental

EVALUACIÓN SANITARIA Y AMBIENTAL

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OMS

Twenty questions on genetically modified foods

Los alimentos genéticamente modificados actualmente disponibles en el mercado internacional han pasado las evaluaciones de riesgo y no es probable que presenten riesgos para la salud humana. Además, no se han demostrado efectos sobre la salud humana como resultado del consumo de dichos alimentos por la población general en los países donde fueron aprobados. http://www.who.int/fsf/GMfood/

Medidas precautorias y manejo del riesgo de Flujo de Genes en maíz MG en C.R

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Maíz MG en Costa Rica • • Liberaciones intencionales al ambiente de Maíz GM conteniendo rasgos de tolerancia al herbicida Glifosato y resistencia al ataque de insectos de la familia de los lepidópteros • • 1991-1992 Maíz GM Área de 0.004 hectáreas • 1992-1993 Maíz GM Área de 0.5 hectáreas. • 1995-1996 Maíz GM Área de 0.1 hectáreas • 1998-1999 Maíz GM Área de 1.5 hectáreas. • 1999-2000 Maíz GM Área de 1.6 hectáreas. • 2000-2001 Maíz GM Área de 2.1 hectáreas

Intercambio genético entre plantas Factores generales que afectan la capacidad dispersión del polen: 1. Velocidad del viento 2. Viavilidad del Polen 3. Humedad relativa – densidad del polen en el aire Intercambio genético entre plantas se deben cumplir ciertas condiciones : 1. 2. 3. 4.

Compartir el hábitat, Coincidir en la floración, Ser genéticamente compatibles y la La característica transferida debe conferir a la planta receptora una ventaja adaptativa

Estrategias de prevención del flujo de genes en plantas – Manejo de ciclos de reproducción (floración) – Capacidad de dispersión del polen • Distancia de siembra (según distancia que viaja el polén) – Barreras vivas – Receptoras de polén

– Compatibilidad genética: • no hay introducciones de OGMs en zonas de alta diversidad genética – Dormancia de semillas. • Relativo de cada especie o variedad – Control de espontáneas. Prácticas agrícolas – Transformación pastidial: cloroplasto (herencia paterna)

Muchas gracias !!

MSc. Giovanni Garro M.

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