Ingegneria genetica Presente e futuro nei paesi sviluppati e in via di sviluppo Juan M. Hernandez Monsanto Università di Padova, Aprile 2004
Ingegneria geneticaPresente e futuro nei paesi sviluppati e in via di sviluppo
Juan M. HernandezMonsanto
Università di Padova, Aprile 2004
Ingegneria Genetica
• Manipolazione deliberata della informazione genetica per l’analisi od il miglioramento di una specie
Miglioramento tradizionaleNuove varietà superiori < 0.01 %
Selezionare parentali
Ricombinare i geni
i migliori basati sul fenotipo
Prove di campo
Selezionare i migliori
Prove di campo
Registro varietà + Commercializzazione
X7 -
9 anniAnno 1
Anni 2-6
Anni 7.....
1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980Year
0102030405060708090
100110120130140150
Gra
in Y
ield
(b
u/a
c)
U. S. Grain Yield1866 to 1996
0102030405060708090100110120130140150
b = 0.062 b = -0.165
Double-Cross
Single-Cross
b = 0.953
b = 2.467
b = 1.489
1936
1947
1983
1988
1993
Open-Pollinated
R2 = 0.97
1934
Miglioramento spettacolare nei primi anni . Ora e’ rallentato
Plant Breeding : Metodo tradizionale Un esempio: Incremento della resa nel mais
USA
•Incremento di piante/Ha•Germoplasma esotico•Più ricerca•Più sforzo•....
Nuove tecniche nel Breeding sono necessarie per continuare a mantenere simili incrementi
Cosa sono le Biotecnologie?
• Breeding Molecolare: Studio a livello del DNA:• Localizzazione e caratterizzazione dei geni nei cromosomi
• Analisi della Espressione Genetica
• Transformation Genetics: Processo per rimuovere, modificare o aggiungere geni ad un organismo vivo:• OGM ( le più conosciute)
• Clonare o copiare geni • Trasferire geni clonati ad un nuovo organismo
• Aggiungere o togliere caratteri specifici
SNP Marcatori Identificazione di sequenze di DNA
Plant tissue
Plant Cell
DNA
Chromosome
...ATGTTTAGCCCAGTGACG...
...ATGTTTGGCCCAGTGACG...
Plant 1:
Plant 2:
Parent 1
Parent 2
Progenie
Con i marcatori possiamo mappare Geni specifici nel DNA
Usando la statistica, possiamo Mappare (localizzare) Geni per la altezza
AA AA
aa aa
AA
a
A
aa a
A
a
A
aa
Possiamo “Fingerprint” i
parentali e la sua progenie con i
marcatori di DNA
Esempio: Altezza
Esistono varie compagnie che forniscono robotica capace di analizzare > 40K dati per macchina/giorno a < 0.2 € cu.
La robotica aiuta ad analizzare in laboratorio milioni di campioni
Breeding Molecolare
• Amplia e migliora la base genetica • Permette di lavorare con caratteri multipli• E’ un processo continuo e “lento” • Richiede grandi investimenti• E’ una tecnologia in uso nei paesi sviluppati
– i.e: Monsanto ha 1/3 dei ric. dedicati al Breed. Molecolare
Come risolvere problemi puntuali?
METODO TRADIZIONALE
Il DNA contiene una catena di geni. Il Metodo Tradizionale combina molti geni dei due parentali che finiscono nella nuova varietà. Successivamente, poi , bisogna eliminare i geni non desiderati.
Desired Gene
X
Many genes are transferred
Donor Plant
VarietàCommerciale
Nuova varietà
+
A single gene is transferredDesired Gene
Varietà Commerciale Varietà Commerciale con i geni desiderati
BIOTECNOLOGIE / INGEGNERIA GENETICACon le Biotecnologie si possono aggiungere solo i caratteri desiderati
Desired Gene
Donor Plant
Nuova Tecnologia Ingegneria Genetica
Ingegneria Genetica
• Metodo puntuale per trasferire informazione genetica
• Più preciso e efficiente• Non dipende della riproduzione sessuale• Permette di trasferire informazione genetica da
una specie a un’altra • Ha permesso miglioramenti:
• nella qualità, facilita’ di coltura, difesa dalle avversità, aumento di la resa.....
Tecnologia di Trasferimento del Gene (i)
Come si fa per inserire un gene da una specie ad un’altra?
DNA CloningDNA Sequencing
Plant Transformation• Biolistic• Agrobacterium mediated
Rigenerazione della pianta e Selezione•Tissue Culture• Antibotic selection
Cosa può contenere un vettore di una trasformazione?
• Gene desiderato (i.e. Resistenza ad un erbicida)• Promotore e Terminatore. Per abilitare la
espressione del gene – Non interessa il gene ma la proteina che produce
• Gene Marcatore: Per sapere se le cellule sono trasformate o no: – Antibiotici o Resistenza a erbicidi
• Gene Reporter : per facilitare la identificazione della trasformazione genetica
• .......
Padova Aprile 2004
Sugars
Target Enzyme
EPSPS + Pi
Aromatic Amino Acids
Shikimate Pathway
Shikimate-3-phosphate
Resistenza a un erbicida
Proteins
Enzima alternativointrodotto nel mais
EPSPS + PiAgrobacterium sp.
Glyphosate
Modo di azione delle proteine Bt
• La proteina Bt si lega a recettori specifici nell’intestino degli insetti– I recettori variano per diversi insetti
• L’insetto smette di mangiare
• L’insetto muore dopo 24-72 ore
Le larve forano spighe e stocchi producendo perdite:•Stocchi deboli meno resa•Danni alle spighemeno qualità
18
ECB (Ostrinia nubilalis) >400.000 Ha in Italia
Perdite produzione fino a 20 %
Più aflatossine
Gli OGM risolvono problemi puntuali
• Le varietà OGM sono sostanzialmente equivalenti alle varietà normali. Il resto del patrimonio genetico e lo stesso
• Gli OGM servono solo per quello per cui sono disegnati• Esempio: Se la varietà X produce meno della varietà Y In presenza di attacco: X+Bt può avere meno perdita di produzione che Y, e avere
una maggiore resa Se non vi é l’attacco, la varietà X+BT produrrà meno della varietà Y
Il miglioramento della base genetica deve pertanto continuareCon metodi convenzionali, molecolari, o altri
OGM dalla scoperta alla commercializzazioneUna lunga strada (Esempio USA)
Gruppo Scoperta• Individua una proteina interessante. Studia la sua funzione
Gruppo di Biologia Molecolare• Prepara il costrutto da trasferire
Gruppo Trasformazione• Inserisce il nuovo gene e rigenera la pianta
Gruppo Ricerca• Determina se inserzione del gene + espressione sono stabili
Gruppo Sviluppo• Determina se la trasformazione ha interesse commerciale
Marketing • Introgressione in varietà più produttive• Commercializzazione
4-12mesi
1-3anni
2-4anni
3-12mesi
Da Scoperta a Vendita 7-10 anni
Regulatoryand SafetyEvaluationsFDA, USDA, EPA
Europa: Directive 2001/18 – Procedure
MS Vote (Qualified Majority)
Rapporteur review and approval (90+ days)
Review by other Member States (60 days)
No objection Objection(s)
Commission ProposalCouncilDecision
Yes
No
Scientific Cttee Review (90+ days)
CONSENT(time limited)
MS/Commission Reach agreement (45+ days)
Public Consultationgmoinfo.jrc.it
CONSENT(time limited)
CONSENT?(time limited)
In Europa esiste una complessa legislazione in materia di OGM
• Periodo obbligatorio di consultazione pubblica (gmoinfo.jrc.it)
• Monitoraggio obbligatorio degli OGM commercializzati• Approvazione obbligatoria del Comitato Scientifico• Sicurezza alimentare (European Food Safety Authority)
– per il cibo e/o per i mangimi
• Tracciabilità• Etichettatura • Coesistenza (i.e. con colture organiche)
– da definire dai paesi membri
La sicurezza
• A 15 anni dalla loro introduzione in agricoltura, nonesistono evidenze scientifiche che le piante GM sino ad oggi prodotte:
1. abbiano effetti tossici sull’uomo o sugli animali
2. causino allergie
3. diffondano resistenza agli antibiotici
4. trasferiscano il transgene ai microorganismi del suolo
5. abbiano attentato alla biodiversità delle piante coltivate o selvatiche
6. abbiano causato disastri ambientali attraverso la diffusione del polline
Crescita delle colture OGM
Superficie totale di colture OGM 1996-2003 (in milioni Ha)2003 = 67.7 milioni di Ha
0
1020
3040
50
6070
80
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
mil
ion
i d
i et
tari
Altre coltureCotoneColzaMaisSoia
Fonte: International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA), Executive Summary Global Status of Commercialized Transgenic Crops: 2003 (http://www.isaaa.org)
Le coltivazioni nel mondo
• 7 milioni gli agricoltori in 18 paesi, oltre l’85% dei quali costituito da agricoltori di paesi in via di sviluppo con limitate risorse a disposizione
• Quasi un terzo della superficie mondiale coltivata con piante GM si trova in paesi in via di sviluppo
Fonte: International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA), Executive Summary Global Status of Commercialized Transgenic Crops: 2003 (http://www.isaaa.org)
Colture GM nel mondo (2003)
• Cotone GMSuperficie coltivata: 7,2 milioni di ettari (+6%) 21% della superficie globale coltivata a cotone
• Colza GMSuperficie coltivata: 3,6 milioni di ettari (+20%) 16% della superficie totale coltivata a colza
Fonte: International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA), Executive Summary Global Status of Commercialized Transgenic Crops: 2003 (http://www.isaaa.org)
Benefici in Paesi sviluppati
• Esempio: USA
Nel 2001 le colture GM coltivate commercialmente hanno permesso:+ Produzione: + 1,8 milioni ton. + Risparmio ai coltivatori :+1,5 MD USD
- Utilizzo agrofarmaci: - 21 mila ton.
Projection main OGM crops US 2004
CROP EVENT 2003% Proy 2004 %CORN Insect 40 46CORN Herbicide 11 14CORN Insect+Herbicide 4 5
TOTAL CORN 55 65COTTON Insect 14 18
Herbicide 32 28Insect+Herbicide 27 30TOTAL COTTON 73 76
SOYBEAN Herbicide 81 86
FONTE: http://usda.manlib.cornell.edu/reports/nassr/field/pcp1034.txt
Benefici in Paesi in via di sviluppo
• Sono costretti a vendere a prezzo internazionale
• Non hanno aiuti statali (come EU, USA)
• Hanno margini bassi di profitto
Sono “costretti” a usare OGM• Esempi :
– Certi erbicidi – cari + efficienti Argentina 95 % soia RR
– Meno fitofarmaci/Ha, - costi/Ha Successo del cotone Bt
Milio
ni H
a
CEREAL PRODUCTION1950 650 million tonnes2000 1,900 million tonnes
1,800
1,400
1,000
600
1950 1960 1970 1980 1990 2000
200
* Uses milled rice equivalentsSource: FAO Production Yearbooks and AGROSTAT
Terra USATA 660 Milioni Ha
Terra RISPARMIATA
1.100 Milioni Ha
World Cereal* Production–Areas Saved Through Improved Technology, 1950-2000 (Slide from Norman E. Borlaug)