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Mejoramiento Convencional Y Cultivos Mejorados Genéticamente (Transgénicos) MSc. Giovanni Garro M. 1 [email protected] 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 MSc. Giovanni Garro M. [email protected] 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 MSc. Giovanni Garro M. [email protected] 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. [email protected] 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 30 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 MSc. Giovanni Garro M. 32 [email protected] 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 [email protected] 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 34 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 MSc. Giovanni Garro M. [email protected] Presencia de alérgenos Composición nutricional Nivel de tóxicos Impacto ambiental EVALUACIÓN SANITARIA Y AMBIENTAL 45 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 MSc. Giovanni Garro M. 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. [email protected]
