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

Padova Aprile 2004

Approccio Molecolare Uso di marcatori genetici

aa

Aa

AA

AltezzaQTL

SNP Marcatori Identificazione di sequenze di DNA

Plant tissue

Plant Cell

DNA

Chromosome

...ATGTTTAGCCCAGTGACG...

...ATGTTTGGCCCAGTGACG...

Plant 1:

Plant 2:

DNA Marker (SNPs) Map for Corn

Ten Chromosomes of Corn Single SNP Marker

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)

Coltivazioni OGM nel mondo

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)