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Biotecnología aplicada al mejoramiento
genético de hortalizas
Carlos F. Quirós
Department of Plant Sciences
University of California
Davis, CA 95616
530-752-1734
[email protected]
::
La modificación genética es la continuación de técnicas
más y más refinadas
10,000 BC
S XIX
S XX
1940-50s
1960s
1970s
70s-80s
1980s
1990s
2000
presente
Domesticacion
Selección/hibridación
Mutagénesis, colchicina
Cultivo de tejidos
Rescate de embriones
Somaclones, haploides
Fusión de protoplastos
ADN Recombinante (tabaco
transgénico 1984)
Marcadores moleculares
Genómica
Bioinformática
Omicas
Básicamente nuestros antepasados ya
hiceron por nosotros la parte mas difícil
En resumen
Fitomejoramiento
convencional
Ingeniería genética
Cambios en sequencia,orden Cambios en sequencia,orden
y regulacion de genes
y regulacion de genes
La cantidad de informacion
genetica incluye miles de
genes
La cantidad de informacion
genetica que se cambia es
muy pequeña
Controla sitio y tiempo de
expresion del gene
Solo por cruzamientos entre Usa material genetico de
especies relacionadas
cualquier organismo siendo
posible generar nuevas
combinaciones de genes
misma planta, especies
relacionadas, especies no
relacionadas, virus,
bacteria, animales
¿Cuál es nuestra urgencia de seguir desarrollando la
tecnología de mejoramiento de nuestros cultivos?
D.D. Chiras (2001) Environmental Science. Creating a Sustainable Future. 6th Edition.
Jones and Bartlett, Sudbury, MA.
Maíz híbrido
Inventado por Shull en 1908 después de
endocriar líneas de maíz antes de cruzarlas
En 1935 sólo el 10% del maíz era híbrido,
en 1940 el 90% era híbrido
Estas variedades aumentaron los
rendimientos >6X
La producción de maíz subió de 20 bu/acre
en 1940 a 120 en el 2000
Principales ventajas de usar biotecnologia basada
en ADN recombinante
9Podemos introducir caracteristicas nuevas a nuestros
cultivos, no existentes en la especie, y asi
hacerlos potencialmente mas eficientes y productivos
9Podemos aumentar la produccion o calidad agregando,
cambiando o apagando uno o unos pocos genes de la
misma o otras especies sin alterar el resto.
9Potencialmente podemos aplicarla en forma sostenible
ayudando a proteger y conservar el ambiente usando
cultivos que dependan menos de pesticidas y otros
productos quimicos.
Tomate larga vida Flavr Savr
LB
Mas5’
prom
KanR
t
e
r
m
35S
prom
Polygalacturonase
Plasmid pCGN1436
Primer producto comercial transgenico, 1994
t
e
r
m
RB
Instituto Experimental para la Olericultura,
Pontecagnano, Salerno. Italia
Dr. Vitangelo Magnifico
Gen
Caracteristica
Cultivo
DefH9iaaM
Partenocarpia
Berenjena,
tomate
CryIIIB(BT)
Resistencia a
gusano
tomate
CP (proteina
de capsula
viral)
CMV, TSWV
tomate
Berenjena Bt resistente a barrenador Leucinodes arbonalis
creada en la India
Partenocarpia usando el gen DefH9iaaM tambien ha
sido aplicado con exito a la frambuesa y fresa
Esto hace prescindir de polinizacion, cuya eficiencia
depende del ambiente, ademas de producir frutas sin
semillas
Tomate con 3X flavonoides antioxidantes
Factores de transcripcion en el ciclo de antocianinas en
Anthirrhynum, Del y Ros1.
Butelli et al 2008 Nature Biotech 26:1301
Tomates con antioxidante resveratrol
Gene estilbeno sintetasa de uva con promotor especifico
del fruto introducido a tomate.
Resveratrol: Anti inflamatorio, antiviral, cardio y neuro
protector, anti tumoral, presente en vino tinto.
Institute of Science and Food Technology, Italia
Protección contra virus mediante genes de la cápside
Expresion de genes de la envoltura proteica
interfiere con el ensamblaje y desmontaje
del virus, interfiriendo con su reproduccion
y movimiento.
Produccion de tomates resistentes al tomato
spotted wilt virus (TSWV)
Papas GM a ser lanzadas en un futuro cercano
Newleaf Monsanto: resistente al Colorado Potato Beetle (Bt
-cry3A), a PVY y a PLRV (coat protein, replicase) desregulada en
1997 y comercializada en USA y Canada hasta 2001 (segregacion
mas cara que produccion).
Amflora BASF: amylose-free (anti-sense GBSS) para industria
de papel, aprobada para uso industrial. Alemania acaba de aprobar
su plantacion.
Variedades con resistencia a rancha BASF, ABSPII, DuRPh, and
CIP. Cisgenic, usa genes RB de resistencia de especies silvestres.
Libre de marcadores de seleccion. Lista para 2009
Bt-spunta (cryV) MSU (ABSPI): resistencia a polilla del tuberculo,
posible produccion en 2009 en So Africa.
Informacion de Marc Ghislain
Informacion de Marc Ghislain
Resistencia a prodredumbre blanda, Erwinia, maiginin 2, contra
microorganismos, New Zealand Institute for Plant & Food Research
Ltd
Gorgojo Colorado de la papa
Dave Douches, MSU
Glandular trichomes alone
NYL235-4
Dave Douches, MSU
Glandular trichomes + Bt-cry3A
NYLcry3A.3
Impacto de la polilla del
tubérculo
• Adultos
–
–
Ponen huevos en el follaje y
tuberculos
Ponen huevos en tuberculos
almacenados
• Larva
–
–
–
Tuneles en hojas
Penetran tuberculos en campo
Crecen y viven en almacenes
D. Douches MSU
Lanzamiento Humanitario de Bt Spunta G2
(resistente a polilla) in Africa
• Caracterizacion
molecular
• Validacion en
laboratorio de
resistencia foliar y de
tuberculo
• Evaluacion en campo
• Conducta agronomica
similar a Spunta notransgenica
• Analisis de seguridad
alimenticia
D. Douches MSU
Redución de moretones y acrilamida
• Silenciamiento papa Ranger Russet de
genes de polifenol oxidasa (Ppo), asociados
a sintesis de almidon R1, y fosforilasa-L
(PhL).
• Modificacion genetica en base a genes
nativos de papa sin insercion de genes
foraneos.
• Resultado: Papas fritas de mejor calidad,
menos quemadas y con menor contenido de
acrilamida.
Rommens et al 2006, J. Agr Food Chem 54: 9882-87
Papas fritas y chips con bajo nivel de acrilamida
„
„
„
Silenciamiento de dos genes de asparagina
sintetasa (asparagina es precursor de acrilamida)
Reduccion en 95% de acrilamida en papas fritas y
chips. Mantiene rendimiento y calidad.
Lanzamiento en 5 años
Rommens et al. 2008. Plant Biotechnology Journal. 6:843-53.
Glucosinolatos (GSL) y sus derivados:
Metabolitos secundarios importantes en
cruciferas
Roles:
• Actividad antimicrobiana y preventivos de
cancer vs actividad inflamatoria y bocio
• Repelentes de insectos herbivoros vs atrayentes
de otros insectos especializados
•Sabor y aroma
Objectivo:
Desarrollo de lineas de brocoli, coliflor y otras
hortalizas similares con contenidos optimos de
isotiocianatos para propositos multiples: Alimentos
funcionales y biofumigantes.
Plan de investigacion:
Mapeo, identicacion y clonacion de gene mayores en
el ciclo biosintetico de glucosinolatos (GSL)
alifaticos y de sus derivados los isotiocianatos
(ITC), en Brassica oleracea.
Primer paso para producir lineas de brocoli con alto
contenido de sulforafano, envuelto en proteccion
contra en cancer en mamiferos
Genes en el ciclo de GSL alifáticos en A. thaliana
Chain elongation
chloroplast
Methylthioalkylmalate
Synthase (MAM)
BoGSL-pro/
BoGSL-elong
AF399834
ER
CYP79F2
At1g16400
CYP79F1
At1g16410
aldoximes
CYP83A1,At4g13770
oxidation of aldoximes
Cytosol
adapted from from Chen et al
Plant J. (2003) 33: 923
C-S lyasa conjugation with S donor
cysteine?)
S-GT
At1g24100
Sulpho
Transferasa
At1g79230
Short and long chain GSL
Ruta de Glusinolatos Alifáticos en Brassicas
Methionine
Gsl-PRO
3C
Gsl-elong
4C
Glucoiberin
Glucoraphanin
(3-methylsuphinylpropyl) ( 4-ethylsulphinylbutyl)
Gsl-alk
Gsl-alk
Hydrolysis
Sinigrin
(2- propenyl)
:Allyl ITC
:Allyl ITC
Glucoiberin
:Glucoraphanin
:Progoitrin
Sulforaphane
:Sinigrin
:TOTAL Gsl
Gluconapin
(3- butenyl)
Gs-oh
Progoitrin
(2-hydroxy-3 butenyl)
Myrosinase
ESP/ESM1
ITC
Sulforaphane
Corresponding
Arabidopsis gene
Gene
in
B.oleracea
LG Function
Bo-PRO
O5
3-carbon side-chains elongation
At1g18500
Bo-ELONG
O2
4-carbon side-chains elongation
At5g23010
Bo-ALK
O9
2-oxoglutarate-dependent dioxygenase enzyme, controls the
conversion of methylsulfinylalkyl glucosinolates to the
alkenyl form
At4g03060
BoCYP79F1
O5
Short-chain glucosinolates biosynthesis
At1g16410
Bo-S-GT
O3
A thiohydroximate S-glucosyltransferase , complete the
synthesis of primary GSL
At1g24100
Bo-CS-lyase
O6
Mutant will be completely devoid of aliphatic and indole
glucosinolates
At2g20610
Bo-GSOH
O9
1-aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase activity
At2g25450
Bo-ESP
O7
Nitrile-enhancing myrosinase cofactor
At1g54040
Bo-ESM1
O5
Leads to a decreased capacity to produce nitriles and an
increased capacity to produce isothiocyanates
At3g14210
Bo-MYB28
O1
Transcription factor of GSL biosynthesis
(Hi total GSL content)
(Hiral etal, 2007, PNAS)
At5g61420
Complementation analysis by BoGSL-ALK transformation
30
glrap
20
millivolts
millivolts
20
10
Leaves
30
10
glib
0
A. thaliana
Columbia
(control)
0
6
7
8
9
10
11
Minutes
20
A. thaliana
20
15
15
10
10
5
sin
prog
5
0
0
6
7
8
Minutes
9
10
11
millivolts
millivolts
glnp
Columbia
transformed
with BoGSL-
alk+
¿ Posibilidades sin límite … ?
9 Resistencia a patógenos y nemátodos con genes
aislados de varias plantas.
9 Resistencia a salinidad, sequia, heladas, acidez
9 Reduccion de perdidas de almacenamiento
9 Manipulacion de proceso reproductivos: inhibicion
de floracion o su induccion temprana, frutas sin
semillas, esterilidad masculina, apomixis.
9Mejora de la arquitectura de la planta, eficiencia
fotosintentica y asimilacion de N = mayores
rendimientos
Otras posibilidades …
9 Manipulacion de nutrientes y metabolitos
secundarios: vitaminas, acidos grasos, carbohidratos,
proteina, tabaco sin nicotina, café sin cafeina,
detoxificadores de carcinogenos y alergenos.
9 Mejora de contenido de hierro
9 Sintesis de biopolimeros degradables y nuevos
aceites
9 Desarrollo de plantas biosensoras y limpiadoras de
tierras contaminadas por metales pesados y minas
9Ornamentales con flores de nuevos colores, mas
vistosas y fragantes
Rosas para ti …
Rosas azules producidas por la compañia Florigene Pty
Ltd y la compañia Japonesa Suntory lanzaron
recientemente la variedad GM Hybrid Tea
Expresa al gen de flavonoide 3'5'-hydroxilasa,
proveniente de Viola, y el de antocianina deTorenia
para color alterado de flores.
Australia y Colombia negociaron con estas compañias
para empezar a producir rosas azules, ¿y por no en el
Peru?
http://www.ogtr.gov.au/internet/ogtr/publishing.nsf/Content/dir090
Yuca resistente a virus
El Namulonge Crops Resource Research Institute
(NaCRRI) de Uganda esta probando yuca transgenica de
alto rendimiento resistente a dos enfermedades virales
mosaico de la yuca (CMV) y raya marron (BSV).
Limitantes de produccion en el Africa.
http://allafrica.com/stories/200901070050.html
Banana resistente a la enfermedad de Panama
Queensland University of Technology en Brisbane,
Australia, obtenida por insercion de un solo gen.
http://www.news.qut.edu.au/cgibin/WebObjects/News.woa/wa/goNewsPage?newsEventID=21450
Ciruelas sin hueso y floracion temprana
Silenciando genes de lignina
e introduciendo gene de
floracion temprana
Chris Dardick, USDA W. Virginia
Gene de maca, gene Lm-def, defensina tiene actividad
contra Ph. infestans. Solis et al 2007
Uva resistente a nematodos por introduccion del gen
de resistencia del tomate MI, probada nada menos que
en la zona vinicola de Alsacia, Francia en el 2005.
Arroz con mayores rendimientos por introduccion de
genes PPDK y PEPC de maiz que mejoran capacidad
fotosintetica
Lemaux 2008
Mejora de capacidad de asimilacion de N en 30% por
introduccion de factor de transcripcion Dof1,
experimental en Arabidopsis
Resistencia al frio: Genes CBF responsables a la respuesta
al frio
Salinidad: Tomate transgenico sobreexpresando gen que
controla entrada vacuolar de Na+/H+, capaz de crecer en
40% de agua de mar.
Mejora nutricional de papa, aumento de Ca.
En tomate aumento de folato.
Lemaux 2008
Zanahoria para combatir osteoporosis, con el gene
sCAX1, de Arabidopsis que codifica por un transportador
de Ca aumentando el nivel de este mineral; Children's
Nutrition Research Center in Houston, Texas.
at http://www.ars.usda.gov/is/AR/archive/nov08/carrots1108.htm
Mani hipoalergenico, por silenciamiento de 2 proteinas
que causan alergia; University of Georgia, Tifton
http://blog.wired.com/wiredscience/2008/11/peanuts-with-le.html
Bayer CropScience ha desarrollado tabaco transgenico
con el gene humano A1AT en el cloroplasto, resultando en
alta acumulacion alfa1-antitripsina que protege el pulmon
contra enfisema
http://www.springerlink.com/content/p51462681u156488/fulltext.pdf
De anuales a perennes
Apagar 2 genes envueltos en el proceso de floracion en
Arabidopsis la convierte de anual a perenne
Flanders Institute of Biotechnology (VIB) and Ghent
University
http://www.vib.be/NR/rdonlyres/E8FB2BC8-3D32-4D76-BFC1-
9609FA07C689/2762/20081107_ENG_Beeckman_bloeiinductie_web.pdf
Gen de ají mejora resistencia a estrés en papa
Cientificos del Plant Genome Research Center y Seoul National
University en Korea demostraron que sobre-expresion del gen de
Capsicum CaPF1 (factor de transcripcion inducido bajo estres)
aumenta tolerancia a heladas, calor, metales pesados y estres
oxidativo en papa.
Yuca biofortificada : A Day's Nutrition in a Single Meal
Genes codificadores de proteina envueltos en transporte de
metales introducidos a la yuca resulta en acumulacion de hierro y
zinc.
Igualmente genes envueltos en sintesis de carotenoides y
terpenoides fortifican la planta en contenido de vitaminas A y E.
El proximo paso es combinar estas caracteristicas en variedad
elite.
Pruebas de campo en Puerto Rico, en 2010 en Nigeria y Kenya.
Cientificos de la India, U de Baroda, usaron el gene
Dm-AMP1, de Dahlia que produce a la defensina
antifungica usadas para producir arroz resistente a
Magnaporthe oryzae (piricularia) y Rhizoctonia
solani (podredumbre de la vaina).
http://dx.doi.org/10.1007/s11248-008-9196-1
Investigadores del Bose Institute en Calcuta
desarrollaron garbanzo transgenico resistente a afidos
introduciendo gen de lectina de ajo a (asal) que
produce proteinas que se unen a azucares. Estas
bloquean el intestino de los afidos.
http://dx.doi.org/10.1007/s11248-009-9242-7
Cuba posicionada a adoptar Biotecnología
De acuerdo al director del Instituto de Ingenieria
Genetica y Biotecnologia, Carlos Borroto, cultivos
transgenicas seran producidos pronto en Cuba. El pais
espera que adoptando estos cultivos podra reducir sus
importaciones. Cuba al momento importa mas del 50%de
sus alimentos. De acuerdo a Granma Internacional,
maices resistentes a herbicidas e insectos, creados por
cientificos cubanos se estan probando en La Habana,
Santa Clara, Ciego de Avila, Camagüey y Santiago de
Cuba. Tambien estan trabajando en Gm soya, tomate y
papa.
Conclusiones
La ingenieria genetica de plantas esta realmente aun en pañales.
Aun falta desarrollar esta tecnologia en muchos cultivos que son
dificiles de transformar.
Sin embargo los avances cientificos en esta area son impresionantes,
por ejemplo:
1. Ya se puede prescindir de genes antibioticos como medio de
seleccion.
2. Es posible transformar cloroplastos para evitar transferencia de
transgenes via polinizacion no intencional.
3. Es posible expresar genes solo en ciertos tejidos de la planta.
Estos avances anulan cada vez mas los argumentos de los opositores a
esta tecnologia.
La IG no es la panacea para acabar con la pobreza, como tampoco lo
son la agricultura organica y convencional, sin embargo es una
herramienta con la que los agricultores pueden mitigar problemas de
plagas, enfermedades, sequia, salinidad y degradacion del ambiente.
“Bienaventurados los que retardan el avance de la
ciencia y de la verdad porque de ellos sera el reino del
olvido y del desprecio”
Dr. Francisco Urteaga Farge