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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
MSc. Giovanni Garro M.
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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
MSc. Giovanni Garro M.
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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
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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
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
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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.
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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
MSc. Giovanni Garro M.
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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
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.
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