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Cultivos transgénicos
Insectos que se combaten
Barrenador del tallo (Chilomina clarkei Amsel,
Lepidóptero) y el gusano cachón (Erinnyis ello,
Lepidóptero) entre otros, que afectan a la
mandioca.
Orugas defoliadoras Anticarsia gemmatalis,
Heliothis zea y Pseudoplusia includens y
Elasmopalpus lignosellus y Rachiplusia nu;
Spilosoma virginica y Epinotia aporema (estos
tres últimos en Argentina).
Erinnyis ello
Anticarsia gemmatalis
Pseudoplusia includens
Ventajas de Bt
 B. thuringiensis es naturalmente capaz de mantener los genes
ICP (proteínas cristalinas insecticidas) diferentes sin sufrir
pérdidas o rearreglos de genes.
 Puede expresar esos genes en altos niveles, por lo que el 2530% de la proteína pueden ser proteínas ICP-s.
 Los plásmidos de B. t. naturales como vectores de clonación
para la construcción de nuevas combinaciones ICP que no
contienen genes de resistencia a antibióticos u otros genes
extraños indeseables. Las nuevas construcciones de B. t.
consisten en sólo DNA de Bt. Además como los insecticidas de
B. t. no tienen un amplio espectro de actividad, los insectos
benéficos no mueren por la aplicación de la toxina de B. t. Esto
incluye a los enemigos naturales de los insectos (predadores y
parásitos) así como polinizadores benéficos como las abejas.
Quizás la mayor ventaja es que Bt. no es tóxico para los
humanos, animales y fauna.
Obtención de plantas transgénicas
resistentes a la salinidad y a la
sequía
INTRODUCCION
 La disponibilidad de agua y la salinización del
suelo, constituyen dos de las limitantes más
importantes para la productividad de las
plantas de cultivo.
 La salinidad reduce la capacidad de las
plantas para absorber agua, ocasionando una
reducción en el crecimiento, y como
consecuencia, una disminución en el
rendimiento (Munnz, 2002).
INTRODUCCION
• Se han desarrollado estrategias para aumentar el
rendimiento en la producción agropecuaria.
• Entre estas estrategias está el riego artificial y el
cruzamiento con genotipos que presentan tolerancia
aumentada, pero no siempre es factible aplicarlas.
• La Ingeniería Genética ha aportado la posibilidad de
incorporar genes de otras o de la misma especie que
demuestren aumentar la tolerancia a condiciones
desfavorables.
La sequía es la causa de estrés en las plantas de mayor importancia
a nivel mundial.
La absorción de agua solo es posible cuando el potencial hídrico del
suelo es mayor al potencial de la planta.
Clasificación de las plantas según sus necesidades hídricas
Hidrófitas
Mesófitas
Xerófitas
Clasificación de las plantas según su tolerancia a las condiciones de
salinidad del suelo
Halófitas
Glicófitas
Mecanismos de resistencia a la sequía
 Mecanismo de escape
 Mecanismo de resistencia estricta
- Mantener la absorción de agua
- Reducir la pérdida de agua
 Mecanismo de tolerancia
- Mantener la turgencia
- Pérdida de turgencia
Mecanismos de resistencia a la salinidad
 Mecanismo de resistencia estricto
- Evita la absorción de iones tóxicos
 Mecanismo de tolerancia
- Eliminación de los iones tóxicos
• Con la pérdida de agua se incrementa la concentración
de solutos en la célula.
• Iones (K+, Ca+, Mg+ y Cl-) no pueden ser metabolizados
y se acumulan.
• Se afecta la actividad enzimática.
• Ejemplo: Enzimas que requieran K+ pueden afectarse si
la concentración de este ion aumenta.
• Plantas expuestas a altas salinidades presentarán altas
concentraciones de NaCl.
• Enzimas inhibidas por alta concentración de sal.
• Enzimas citosol: Activadas por K+ e inhibidas por Na+
Las células vegetales emplean:
• transporte activo primario (mediado por ATPasas)
• transporte activo secundario (mediado por canales)
• Sistemas de transporte de alta y baja afinidad: relación
Na+/K+
•Un tipo de transportador de los iones Na+ y K+ es el HKT.
• HKT (transportador de alta afinidad para K+) funciona
acoplado al Na+.
• En arroz, se demostró que el suministro de Na+ y Ka+ está
mediado por diferentes transportadores:
- OsHKT: involucrado en el transporte de Na+
- OsHKT1: media el suministro de Na+ en las raíces cuando
éstas plantas son deficientes en K+
Existen dos mecanismos para controlar la concentración de
Na+ y prevenir su exceso en el simplasto de las células:
1- Permite la acumulacion de Na+ en la vacuola mediada por
antiportes Na+/K+ localizados en el tonoplasto.
2- Permite el transporte de Na+ hacia el apoplasto a través de
antiportes Na+/K+ ubicados en la membrana citoplasmática.
En plantas superiores se ha identificado un antiporte Na+/K+
(SOS1: salt overly sensitive 1) que juega un papel importante
en la etrusión del Na+ desde las células de la raíz bajo
condiciones de estrés salino.
El eflujo de sodio a través del antiporte SOS1 es vital para la
tolerancia a sales de las células meristemáticas de la raíz, ya
que éstas no tienen grandes vacuolas para
compartimentalizar el Na+ .
• El estrés salino rompe la homeostasis iónica de las plantas al provocar
un exceso tóxico de Na+ en el citoplasma y una deficiencia de iones
como el K+
Mecanismos para prevenir la acumulación de sodio en el citosol:
1- El Na+ entra a la célula de la planta puede ser restringida por sistemas
selectivos de iones.
Se han clonado los genes HKT1 y LCT1, y se sabe que permebializan
sodio cuando son expresadas en levaduras, sugiriendo que ellos
tambien pueden ser un candidato de transportadores para la entrada
de sodio.
2- El Sodio internado en la célula puede ser almacenado
en la vacuola. La vacuola es una estrategia eficiente para
el ajuste osmotico producto de un estrés salino.
Se han clonado antiporters Vacuolar de Na+/H+ . Los
antiporter Na+/H+ funcionan en la membrana plasmática
exportando Na+ desde la célula.
3- El sodio en el citosol puede ser exportado nuevamente
al apoplasto. Se espera que los antiporters Na+/H+ de la
membrana plasmatica realicen eficientemnente esta
función.
Vía de señalización que regula la homeostasis iónica y la tolerancia a la
salinidad en Arabidopsis thaliana.
• El disparador es una alta concentración de Na+ en el intra o extra
celular que provoca una señal citoplasmática de calcio.
• El calcio se une a una proteína miristoilada que es codificada por el
SOS3 (sensible al exceso de salinidad) que percibe esta señal.
• El SOS3 interactúa físicamente y activa a SOS2 que es una proteínkinasa.
• Activada SOS2 luego regula la actividad y expresión de SOS1 que es
una nueva clase de antiporter Na+/H+ que funciona en la membrana
plasmática exportando Na+ desde la célula.
• El SOS2 también interactúa con un transportador de Na+ el HKT1.
• En Arabidopsis al suprimir SOS2 o SOS3 se incrementa la acumulación
de Na+.
Producción de plantas hortícolas tolerantes a la
salinidad
• En muchos artículos se describe el efecto de la expresión de diversos
genes sobre el nivel de tolerancia a la sal en plantas transgénicas.
• El aumento de la tolerancia se puede conseguir mediante la expresión
de genes implicados en funciones muy diversas (homeostasis iónica,
ajuste osmótico, osmoprotección, respuesta a estrés, etc).
• Cuántos genes habrá que introducir en una planta transgénica para
conseguir el nivel de tolerancia deseado?
• Hay dos posturas:
- la transformación no es la herramienta adecuada o que se precisaría la
transferencia y expresión de múltiples genes
- la expresión de un simple transgen será suficiente.
La sobreexpresión del gen hahb-4 de girasol
confiere tolerancia al estrés hídrico en
Arabidopsis thaliana (Dezar, C.; González, D.; Gago, G. y Chan, R. 2002)
•Aislaron genes de girasol pertenecientes a la familia de genes Hd-Zip
• La expresión de hahb-4 está regulada por la disponibilidad de agua y la
hormona ácido absícico (ABA).
• la función de ese gen podría estar relacionada con la respuesta de la
planta al estrés hídrico.
• se transformaron plantas de Arabidopsis thaliana de forma tal que las
mismas sobreexpresen el gen hahb-4 de girasol bajo el control del
promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor.
• Luego se analizó el fenotipo resultante en condiciones normales de
crecimiento y en condiciones en que las plantas se encuentren sometidas
a la falta de agua.
Las plantas que portan el transgen tienen:
• tallo más corto,
• hojas redondeadas,
• raíces más largas
• germinan más rápido en condiciones normales de crecimiento.
El acortamiento del tallo se debe principalmente a una inhibición de la
expansión celular.
Estas características indicarían que el producto del gen estaría actuando
como un inhibidor de la elongación y expansión celular.
Estos resultados permitieron concluir que hahb-4 es un gen involucrado
en la respuesta de la planta al estrés hídrico, y que su función especifica
sería la de generar cambios fenotípicos favorables a la tolerancia a esta
condición adversa.
La eliminación de las proteínas ABI1 y HAB1
aumenta la resistencia de la planta en condiciones de sequía
y salinidad (Rodríguez P., 2007)
• Eliminar las proteínas ABI1 y HAB1, reguladores negativos de la
hormona ABA (ácido abscísico), lo que conduce a un reforzamiento
de la señal hormonal y aumenta la resistencia de la planta en
condiciones de sequía y salinidad.
• Trabajaron con Arabidopsis thaliana
• No se introduce en la planta ningún gen foráneo, sino que se actúa
directamente sobre genes de la misma planta.
• Modificaron la secuencia de ADN de la planta, impidiendo la
expresión de esas proteínas.
• Las variedades modificadas con la aplicación de esta técnica no
presentan ningún cambio de desarrollo vegetativo ni de producción
de semillas en condiciones hídricas normales.
Efecto de los genes tsw12 y HAL1 sobre la tolerancia a la
salinidad en plantas transgénicas de tomate (Pineda B, GarcíaSogo B, Navajas P, Roig L, Pintor J, Serrano R, Bolarín M, Moreno V,
2003)
• Se obtuvieron plantas transgénicas de tomate con seis genes
relacionados con tolerancia a la salinidad: HAL1, HAL2, HAL3 y
phal3, así como tas14 y tsw12.
• Las líneas transgénicas presentan un mayor crecimiento en
condiciones salinas y mayor tolerancia a la salinidad.
Resistencia a herbicidas
Importancia de la aplicación de
herbicidas en cultivos agrícolas
Control de Malezas:
 Medios físicos (labrar, quemar, control manual)
 Culturales (preventivos, rotación de cultivos, cubiertas
vegetales)
 Biológicos (enemigos naturales, pastoreo, alelopatias)
 Químicos (Herbicidas, el método mas empleado y eficaz)
Herbicidas:
 Altamente fiables y eficaces, control completo, amplia gama de especies,
inocuos en los cultivos que protegen.
 Fácil manejo, no requieren maquinaria especial
 Económicamente rentables.
 Menor costo por unidad de superficie.
 Agronómicamente versátiles: como y cuando controlar.
 Controversia: reemplazo de múltiples herbicidas por cultivos resistentes
específicamente a un herbicida.
Resistencia de cultivos a
herbicidas: ventajas
Mejora el rendimiento de cultivos agrícolas y aumenta
eficiencia de recolección.
Aumento de la calidad de los productos: ausencia de
sustancias tóxicas, olores, cosecha de semilla limpia.
Menores costos de control de malezas.
Manejo del cultivo mas simple.
Reducción de otras plagas (malezas son huéspedes de
gusanos, etc)
Modo de acción de los
herbicidas
• Inhibidores de la sintesis de aminoacidos.
-Inhibidores de la Acetolactato Sintasa (ALS)
-Inhibidores de la 5-enol-piruvil-shiquimato-3 fosfato
sintasa (EPSPS)
-Inhibidores de la glutamina sintetasa (GS).
• Inhibición de la fotosíntesis en el Fotosistema II (Bromixynil)
• Inhibición de la sintesis de lípidos.
-Inhibidores de la Acetil Co A Carboxilasa
• Herbicidas de tipo auxínicos (2,4-D).
• Inhibidores mitóticos: Dianitroanilnas
Aplicaciones de la ingeniería
genética
Estrategias seguidas para lograr resistencia
a herbicidas se basan en la manipulación del
metabolismo y de los procesos de desarrollo
de la planta mediante ingeniería genética
 Sobre-expresión de la molécula diana del
herbicida.
 Destoxificación del herbicida por plantas. Las
moléculas fitotóxicas son metabolizadas a
compuestos inocuos.
 Introducción de genes bacterianos que
destoxifican al herbicida.
 Alteraciones en el sitio de acción del herbicida
en la planta, por lo que la ruta metabólica no
se ve afectada.
GLUFOSINATO DE AMONIO (BASTA)
Es un potente herbicida no selectivo, post-emergente que es
altamente efectivo y rápidamente biodegradado.
Modo de acción:
Es un análogo de la glutamina que inhibe la Glutamina
sintetasa ( y la biosíntesis de los aa).
La inhibición de la GS provoca una rápida acumulación de
los niveles de amonio intracelulares y la disociación de la
estructura de los cloroplastos. Inhibición de la fotosíntesis y
la muerte celular.
 La GS cataliza la reacción:
ac. L-glutámico + NH4OH + ATP  L-glutamina + ADP + Pi
+ H2O
Plantas transgénicas
resistentes al herbicida BASTA:
GLIFOSATO
Modo de acción:
 En las plantas se mueve por floema.
 Poca residualidad en el suelo.
 Amplio espectro.
 Inhibidor competitivo de la 5-enol-piruvilshiquimato-3 fosfato sintasa (EPSPS). Vía de
biosíntesis de aminoácidos aromáticos.
 Se acumula el ácido Shiquímico-3-fosfato.
 El glifosato se une a esta enzima inhibiendo la
producción de aminoácidos, matando la plantas.
Cultivos resistentes a los
herbicidas más utilizados
mundialmente
Soja y Algodón Round-up Ready
(RR)
 Resistente al herbicida glifosato.
 Herbicida de amplio espectro y se
degrada rápidamente en contacto
con el suelo
 Argentina: aprobó su consumo y
comercialización.
 Equivalentes en composición y
calidad nutricional a la soja no
transgénica.
Soja Round-up Ready (RR)
Soja no
transgénica con
malezas
Soja RR
Plantas Transgénicas de soja resistentes al herbicida BASTA
en casa de cultivo y campo
Casa de cultivo
Campo
Plantas Transgénicas de arroz resistentes al herbicida
BASTA en casa de cultivo
Plantas transgénicas de caña de azúcar resistentes a la
aplicación del herbicida BASTA en casa de cultivo
Superficie cultivada
Riesgos ecológicos y de desarrollo de
resistencia a herbicidas en las malezas
relacionadas.
Resistencia de malezas a herbicidas
 Resistencia: habilidad del individuo para sobrevivir a una dosis
que pudiera ser letal para su especie.
 Tolerancia: habilidad innata de la especie.
 Al utilizar el herbicida sometemos a la población a un proceso de
selección. Como resultado nos quedan las plantas más
resistentes.
 Se ha producido un gran crecimiento en casos de resistencia,
315 casos a nivel mundial.
 Las opciones para controlar malezas resistentes se ven limitadas
cada día más, porque aparecen especies con resistencias
múltiples.
 En Argentina la evolución de la resistencia se convirtió en una
realidad.
 Se ha encontrado en el país un sorgo de alepo resistente al
glifosato.
Riesgos para el ecosistema
1. No se puede predecir el comportamiento de los
transgenes luego de liberados al ambiente.
2. Supermalezas, hibridación con especies
silvestres y aumento del uso de herbicidas.
3. Disminución de malezas que estimulan el
control biológico.
4. Erosión genética y reducción de la biodiversidad
por OGM.
5. Resistencia a otros agroquímicos (plaguicidas).
Resistencia a herbicidas para
selección in vitro
Agentes de selección más comunes
utilizados para la selección in vitro en caña
de azúcar y arroz
Gen marcador: codifica para un atributo fácilmente detectable para seleccionar
las células transgénicas de las no transgénicas (Herbicidas, antibióticos)
Segunda Generación
Ejemplos: Arroz Dorado
• «arroz dorado», desarrollado por Dr. Ingo Potrykus
( Instituto Tecnológico Suizo, Zurich.
•Arroz modificado por ingeniería genética para
producir carotenoides con el objetivo de suplir la
deficiencia en Vitamina A.
•Motivo: de más de 120 millones de personas
malnutridas debido a la ingesta de dietas basadas en
este cereal, con escaso o nulo consumo de frutas,
legumbres y alimentos de origen animal.
Marzo de 2000 / BIODIVERSIDAD 23 / 13.
Rutas metabólicas: Arroz
 El arroz sólo posee parte de la ruta metabólica que
produce la provitamina A.
 Dr. Potrykus y sus colaboradores introdujeron en el
mismo los genes que codifican las enzimas
fitoenosintasa y licopeno ciclasa (ambos aislados del
narciso) y la fitoeno desaturasa (aislado de Erwinia
uredovora) completando así dicha ruta metabólica.
Oleaginosas
 La colza (Brassica napus) y de la
mostaza parda (Brassica juncea)
 De uso en China, India, Sudeste asiático,
África y América Latina
 También enriquecidas en Vitamina A.
Deficiencia de hierro.
 El problema de la deficiencia en hierro de la
población cuya dieta se basa en el arroz se
intenta aliviar mediante la obtención de
variedades transgénicas de dicho cereal, que
expresan los genes que codifican proteínas
que acomplejan y almacenan hierro como la
ferritina de judía (Phaseolus vulgaris L)
Vitamina E
 Los tocotrienoles y tocoferoles (vitamina E) no se sintetizan en
los mamíferos, por lo que se consideran un componente
esencial de su dieta.
 La síntesis de tocotrienol comienza con la condensación de
ácido homogentísico y geranil-geranil difosfato.
 Se ha clonado el gen responsable de esta reacción de
condensación en arroz, cebada y trigo.
 La expresión del gen de cebada en maíz ha servido para
producir una variedad transgénica que posee seis veces más
tocotrienol.
 Actualmente, se está evaluando el efecto in vivo de estos
derivados de la vitamina E
Flavonoides
 Son metabolitos secundarios de las
plantas que se caracterizan por poseer
propiedades funcionales entre las que
destacan su capacidad antioxidante y su
acción vasodilatadora
Flavonoides. Metabolismo
 Recientemente, se ha clonado el gen de tomate que
codifica la hidroxicianomil-Co A quinasa,un enzima
clave para la síntesis de ácido clorogénico (flavona
que previene la aparición de aterosclerosis).
 Dicho gen se ha expresado en múltiples copias en
tomates transgénicos de manera que éstos tienen
un aumento del 10 por 100 en los niveles de ácido
clorogénico.
 Este pequeño incremento aumenta grandemente la
capacidad antioxidante de los frutos .
Aceites
 La mejora de la composición nutricional
de los aceites se ha abordado por
técnicas de ingeniería genética.
 Liberación comercial de plantas de
algodón modificadas genéticamente con
altos contenidos de ácidos oleico y
esteárico y bajos niveles de palmitato
dirigidas a la producción de margarinas.
Ácido Grasos
 Los ácidos grasos polinsaturados
(PUFA) como el ácido araquidónico y el
eicosapentanoico son precursores de las
prostaglandinas,
participan
en
el
desarrollo del cerebro y de la retina.
 Se asocia con la prevención de
enfermedades cardiovasculares.
Ácido grasos.
 Recientemente, se han descrito plantas
transgénicas de Arabidopsis thaliana
capaces de sintetizar estos compuestos.
 Los mismos autores anuncian la inmediata
producción
de
plantas
transgénicas de soja capaces de
producir PUFA.
tercera Generación
Biorreactores
Un biorrector es un entorno cerrado y controlado para dirigir
catalizadores biológicos con la finalidad de obtener moléculas de
interés con la máxima ficiencia
Dentro de las aplicacions de los biorrectores tenemos:
• La utilización de plantas transgénicas para la producción de
anticuerpos.
• Producción de compuestos de interés alimenticio o medicinal.
•Dado que las plantas proporcionan sistemas masivos y muy
baratos de producción se puede pensar en ellas (plantas
transgénicas) para utilizarlas en el caso de que se necesiten
grandes volúmenes de producción, como puede ser en el campo de
los aminoácidos, o las vitaminas.
Estimación de los costos de producción en función
del nivel de expresión de IgA en distintos sistemas.
Anticuerpos monoclonales
Los anticuerpos se producen en organismos transgénicos y en
biorreactores tanto con bacterias como con células de mamífero
Los organismos transgénicos (ratón, cabra, pollo, plantas) y las
células recombinantes de mamífero (CHO, NS0) son los más
adecuados para producir anticuerpos completos.
APLICACIONES
La sobre expresión constitutiva de
genes
involucrados
en
la
ruta
biosintética de metabolitos secundarios
podrá aumentar significativamente la
cantidad
de
compuestos
útiles
producidos en plantas.
Los avances en esta área permitirán
aumentar
las
productividad
de
metabolitos secundarios obtenidos en
cultivos in vitro con la consiguiente
reducción de costos de producción o
logrando la producción de nuevos
compuestos.