La lunga marcia delle modificazioni genetiche - dal neolitico ad oggi

Presentazione sul tema: "La lunga marcia delle modificazioni genetiche - dal neolitico ad oggi"— Transcript della presentazione:

1 La lunga marcia delle modificazioni genetiche - dal neolitico ad oggi
Piero Morandini Dipartimento di Bioscienze Università di Milano

2 Come se li immagina la gente comune?
Cosa sono? Da dove arrivano?

3 La selezione operata dall’uomo
Cereali coltivati nella mezzaluna fertile Cereali selvatici nella mezzaluna fertile La raccolta di cereali per produrre farina è molto più antica. L’agricoltura inizia quando parte del seme viene trattenuto per la semina La selezione operata dall’uomo Immagini di M. Nesbitt (Kew Botanical Gardens)

4 La selezione fatta dall’uomo che effetti ha sulla pianta?
Avena coltivata Immagini da MPIZ (Colonia), internet o mia Avena selvatica

5 Un bel carattere Spighetta in una pianta selvatica matura:
i semi cadono a terra entro pochi giorni. Spighetta in una pianta coltivata matura: i semi rimangono per anni attaccati alla spighetta. Si staccano solo con un vigoroso trattamento (trebbiatura).

6 Spighe mature delle varietà di riso Nipponbare e Kasalath
Il carattere “shattering” è dovuto al cambiamento di una singola base su basi nella zona del promotore del gene qSH1. Ci sono altre differenze tra le due varianti alleliche presenti nelle due varietà di riso, ma nessuna di queste ha un effetto sullo shattering Konishi et al., (2006) Science 312: Nipponbare Kasalath Nipponbare: ...ACATTTCATGA... Kasalath: ...ACATTGCATGA... 6

7 Nipponbare: ...ACATTTCATGA...
Kasalath: ACATTGCATGA... Promotore Idealmente basta il cambiamento di una sola lettera su circa 400 milioni per stravolgere totalmente la biologia riproduttiva di una specie Regione trascritta

8 Frumento selvatico - coltivato

9 Teosinte – Mais Semi di teosinte Semi di mais
i semi si staccano facilmente Semi di mais Per staccare i semi occorre un’azione vigorosa

10 I geni della dispersione variano da specie a specie
Silique di Arabidopsis wt (sopra) e del mutante seedstick (sotto). E’ evidente che la mutazione impedisce la dispersione del seme. Immagine cortesia di I. Roig Villanova, Università di Milano

11 Varietà diverse di frumento tenero con diversi alleli nanizzanti
semi-nano Rht-B1b semi-nano Rht-D1b Immagine da Peng et al. (1999) "Green revolution" genes encode mutant gibberellin response modulators. Nature 400: 256–261. Rht-B1a AGEGEEVDELLAALGYKVRASDMADVAQKLEQLE… Rht-B1b AGEGEEVDELLAALGYKVRASDMADVAQKLE* Rht-D1b AGEGEEVDELLAALGYKVRASDMADVAQKL* parte della proteina interessata dalla mutazione

12 Analogo discorso per piante ornamentali e animali
Molte piante ornamentali presentano mutazioni Rosa canina (selvatica) Rosa coltivata

13 Dimensioni del frutto e della parte commestibile sono due caratteri evidenti che distinguono una pianta domesticata dalla sua controparte selvatica Immagini D. Bassi (Univ. Milano)

14 Per migliaia di anni l’uomo ha selezionato tra le varianti offerte spontaneamente da madre natura
Il risultato di questo lento processo (accumulo di “mutazioni”) è stata la creazione delle piante coltivate a partire da quelle selvatiche Teosinte/corn photo compliments of J Doebley, Univ. Wisconsin Tomato photo by Bruce Thomas, UC Davis Pomodoro selvatico / pomodoro moderno Tomato photo by Bruce Thomas, UC Davis

15 Dormienza -“… Un meccanismo che previene la germinazione di un
seme in tempi inappropriati” (Vivrette, Seed Technologist Training Manual, Chap. 9) - “…l’assenza di germinazione, di un seme intatto e Vitale, in condizioni che favoriscono la germinazione, in uno specifico lasso di tempo”. (Hilhorst, 1995) aspetto positivo aspetto negativo

16 avoids germination at the wrong moment
A survival mechanism favoring propagation and dissemination of plant populations avoids germination at the wrong moment avoids germination at the wrong place distribution of germination in time, minimizes effects of “unfavorable event” favors spatial dispersion …but, in agriculture it is mostly a problem it is a problem for plant establishment deep dormancy mostly removed may still be a problem in less domesticated genotypes also a problem for seed evaluation however, some dormancy is desirable (to avoid preharvest sprouting) Mutante viviparo di mais

17 Tomato seedlings germinated inside the fruit

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19 Piante di mais volontarie spuntate poco dopo il raccolto autunnale a partire da una spiga interrata

20 Pianta di mais volontaria in un campo di soia
Sept. 2012, Borgofranco d’Ivrea Tasso di sopravvivenza spontanea: ≈ 1/

21 Riso coltivato Riso crodo
§ if one would use a transgenic HT together with mitigating genes as described by Gressel, the gene excape to red rice would be prevented or heavily retarded * Un grosso problema nelle zone a semina diretta * Riso crodo e coltivato sensibili agli stessi erbicidi 21

22 Livello di infestazione con riso crodo:
Bassa Media Alta 1 2 3 Semi dispersi prima del raccolto Dormienti per 2-5 a. 11 piante m-2  40% perdita di resa Binasco (Mi) 1 Foto prese a Binasco (Ott. 2011) nei tre campi contrassegnati sulla mappa 3 2

23 Pianta coltivata = pianta naturale?
Accumulo di mutazioni dannose per la pianta, ma favorevoli all’uomo (oltre a quelle dannose tramite linkage)  Seme trattenuto a maturità della spiga (frutto)  Riduzione del contenuto di tossine (patogeni…)  Dimensioni del frutto/seme/parte commestibile  Nanismo/accestimento  Dormienza del seme (infestanza, permanenza..)  Richieste nutrizionali (fertilizzanti…)  Acqua, luce…

24 Le piante selvatiche resistono a condizioni difficili
Nel caso delle biotecnologie mediche “…si opera in un ambiente controllato, evitando di contaminare l’ambiente esterno […]. Non altrettanto si può dire per la manipolazione di piante ed animali che, non potendo essere tenuti in ambienti isolati, vengono sperimentati ed utilizzati in campo aperto, con rischio evidente…” (G.T., La Repubblica, 4 Giugno 2000) Chi scrive queste cose NON conosce niente delle piante coltivate, non sa che le piante coltivate non conquistano gli ambienti naturali!

25 Infestanti (nomina sunt numina!)
Convolvolo

26 La patata è divorata dalla dorifora
Ia conclusione: le piante coltivate sono deboli (hanno seri problemi di sopravvivenza in natura) La patata è divorata dalla dorifora

27 Se le piante coltivate fossero naturali...
Passaggio che richiede moldo sudore e tecnologia IIa conclusione: le piante coltivate scomparirebbero se l’uomo non se ne prendesse cura Passaggio spontaneo

28 Aspetta e spera? Per migliaia di anni l’uomo ha selezionato tra le varianti offerte spontaneamente da madre natura Tramite ibridazione e gli altri metodi si allarga la base genetica a disposizione. Possiamo creare nuovi geni oppure dobbiamo sembre aspettare che sia la natura a fornirli? Ci è lecito farlo?

29 Geneticamente Modificato?
Le mutazioni sono relativamente frequenti e spontanee in natura Le mutazioni sono eventi “istantanei” successivamente sottoposti a selezione

30 CpB144 (1969) Creso (1970)

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33 Campo sperimentale: 200m diametro Sorgente Co-60 al centro 89 TBq
IIIa conclusione: molti metodi “innaturali” e “grossolani” sono usati nello sviluppo varietale Uso di raggi gamma per produrre nuove varietà Institute of Radiation Breeding Ibaraki-ken, JAPAN “…nessun organismo scientifico indipendente ha mai escluso ricadute sulla salute di produzioni geneticamente modificate” (risoluz. commis. Agricoltura)

34 P1 P2 F1 F2 F10 Vigore ibrido nel mais: spighe prodotte da due linee parentali diverse (P1 e P2), dall’ibrido F1, da una pianta della seconda (F2) e della decima generazione (P10). In F2 e F10 le spighe sono rappresentative della popolazione. Immagine cortesia di P. Landi e M.C. Colalongo (Università di Bologna)

35 Triticale – Una nuova specie di pianta (coltivata)
durum wheat Triticum turgidum rye Secale cereale triticale X Triticosecale Ibridazione X Cultura degli embrioni & duplicazione dei cromosomi photos compliments of Calvin Qualset, UC Davis Breeders have combined durum wheat and rye to produce triticale, which has a larger gene pool than is present in either of the parent crops. photos compliments of Calvin Qualset, UC Davis

36 Triticale: una specie creata dall’uomo
Tramite ibridazione forzata, coltura di embrioni e duplicazione dei cromosomi 1876 Il botanico scozzese A. S. Wilson incrocia frumento e segale. I semi frutto dell’incrocio sono però sterili 1937 Per mezzo della colchicina si riesce a raddoppiare il numero dei cromosomi (e quindi dei geni) Rilasciate le prime varietà di triticale per la coltivazione 2000 Circa 6 milioni di ettari sono coltivati oggi con triticale

37 Come si produce una ? Il metodo più comune sfrutta batteri che introducono geni nelle piante Piante transgeniche naturali contenenti geni di batteri

38 patina di agrobatterio
Fig.11.7 Trasformazione di riso con agrobatterio: (a) semi, (b) calli insieme all’agrobatterio, (c) calli su terreno selettivo, (d) calli con embrioni somatici in formazione o già sviluppati, (e) plantula trasferita su nuovo mezzo di coltura. patina di agrobatterio callo b d Agente selettivo Agrobatt. 14 gg Callo resistente Embrio genesi Semi Callo Plantula 3 g 10 g 15 g 14 g a Calli con agro IMG_6225.jpg Esempi di trasformazioni: c e

39 Le biotecnologie e il breeding lavorano sui geni.
La modificazione genetica delle piante da parte dell’uomo va avanti da più di anni. Nessuna opposizione, nessuna differenza cruciale (rischi compresi) Quasi tutte le principali accademia nazionali e internazionali (USA, India, Italia, Brasile, Francia, Germania, Inghilterra, China, Mexico, Pontificia, del Terzo Mondo…) hanno espresso pareri positivi sulla tecnologia. Insieme a molte socientà scientifiche e organizzazioni internazionali (OMS, FAO) hanno concluso che in base all’evidenza scientifica pubblicata e all’esperienze accumulate in tanti anni di coltivazione commerciale, le colture non presentano rischi nuovi o differenti rispetto a quelle convenzionali e danno benefici tangibili (per una lista incompleta) - Alcuni problemi sono “intrattabili” per via classica - Rischi e benefici

40 20 40 60 80 100 120 140 160 180 81% Soia 64% Cotone 29% Mais 90 33 158 31 Convenzionale Transgenico M ha 23% Colza

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42 Solanine abounds in green parts, sprouts and diseased potatos
March 27, /05/are-potato-peels-nutritious.html Poisoning and Toxicology Handbook by Leikin & Paloucek 4th edition, Informa Health Care, 2007 ISBN , Solanine abounds in green parts, sprouts and diseased potatos

43 Bottle gourd Celery Zucchini Blackjack
Zucchini Blackjack Instead of spraying (a mutagen) and praying (for favourable mutations to occur)

44 La natura: un campo minato…
Pianta Sostanza tossica Effetto Dose Assa foetida Prenylated coumarins lethal Datura stramonium Iosciamine/scopolamine atropine 2 ng/ml blood Tobacco Nicotine 20g leaf Solanum sodomeum Solasonine, solanidine. toxic Ricinus (castor bean) Ricin / Ricinoleic acid 1 seed Tomato tomatine Potato solanine 3-6 mg/Kg Cassava Cyanogenic glucosides lethal? Beans Protease / amylase inhibitors, lectins Almond 20 seeds Brassicas Glucosinolates Most of the wild plants listed are easily found during a walk in wild areas in the south of Sardinia 60 mg of pure nicotine can kill

45 http://www.poppyseedtea.com/ Poppy seed tea can kill you

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47 Teenagers with Jimson weed (Datura stramonium) poisoning
A teenager brought a Jimson weed plant to a party after watching youths misusing the plant on a popular television show. Eight teenagers opened the seed pods, each chewing and ingesting the seeds from 2 to 3 pods (~ seeds) in combination with alcohol. A 16-year-old white male and a 15-year-old female of Asian descent presented to our tertiary care emergency department (ED) with a severe acute anticholinergic toxidrome after this ingestion, which was 1-2 hours before presentation. The male patient … presented with visual hallucinations, disorientation, incomprehensible and nonsensical speech, and dilated sluggish pupils. The patient was tachycardic (heart rate 120 beats/min), febrile (38°C) and had a blood pressure of 120/60 mm Hg. The female patient was very agitated, disoriented, swearing and spitting at ED staff after ingestion of approximately 100 Jimson weed seeds and vodka. On exam, she had dilated pupils, sinus tachycardia (heart rate 160 beats/min), tachypnea (40 breaths/min), fever (37.8°C)… * 188 human cases over a 6-year period in Texas. 78% of cases were the result of intentional abuse, largely in teenagers. * 23 cases were reported in British Columbia over 3 years ( ). * ingestion was possibly associated with a teen fatality in British Columbia in 2006. * The use of Jimson weed can be prevalent in the teenage party community as a means to achieve an inexpensive euphoria. Jimson weed seeds are easily purchased online. Spina SP, Taddei A. (2007) Teenagers with Jimson weed (Datura stramonium) poisoning. CJEM. 9:467-8. Case report:

48 Heracleum mantegazianum - Panace di Mantegazzi (ITA) Giant hogweed (ENG)
For giant hogweed to affect a person, sap from a broken stem or crushed leaf, root, flower or seed must come into contact with moist skin (perspiration will suffice) with the skin then being exposed to sunlight. Giant hogweed, like celery, is a member of the carrot and parsley family See also

49 after contact and moderate light exposure
Two days and three days after contact and moderate light exposure Image from the author’s body, as punishment for not recognizing the plant in an orchard while collecting plums (despite all the academic knowledge...)

50 100 90 Tolleranza a erbicidi 80 Resistenza a insetti (Bt) 70 Tolleranza a erbicidi + Resistenza a insetti 60 M ha 50 40 30 20 10 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Anno Area coltivata in Mha per i vari caratteri (HT, IR o impilati) nel periodo Immagine per gentile concessione di C. James, ISAAA.

51 Fattori biotici ed abiotici di perdita di produzione
Perdite colturali Fattori biotici Fattori abiotici Virus/ viroidi* Infestanti -Monocot. -Dicot. -Erbe parassite Animali -Insetti -Acari -Nematodi -Lumache -Mammiferi -Uccelli Patogeni -Funghi -Batteri (fitoplasmi) Ferite Luce -Carenza -Eccesso Sostanze nutrienti -Carenza -Eccesso Sostanze tossiche -Osmosi -Inibizione Acqua -Siccità -Allagamento Temperatura -Caldo -Freddo -Gelo * I virus non sono considerati organismi viventi, ma di solito vengono classificati tra i fattori di stress biotico Fattori biotici ed abiotici di perdita di produzione

52 Perdite di produzione potenziale ed attuale cumulative per le principali colture (frumento, riso, mais, orzo, patata, soia, barbabietola e cotone) nel periodo per le cause di tipo biotico. *Efficacia = perdita potenziale evitata.

53 Reazione della EPSP sintasi
Indispensabile per la sintesi degli aa aromatici corismato Trp Phe Tyr Il glifosate assomiglia a parte dello Shikimato-3-fosfato Fosfoenolpiruvato (PEP) 3-enolpiruvil-3-shikimato -fostato (EPSP) C H 2 O -2 O3 P COO - O H COO - -2 3 PO C H 2 O COO - -2 3 PO EPSP sintasi Shikimato-3-fosfato inibisce la EPSP sintasi Glifosate COO N H O3P 2- - Fig.12.5 Interagisce con l’enzima in modo non competitivo e ne riduce l’attività Viene decomposto relativamente velocemente a CO2, NH3 e fosfato Non percola in falda (rimane legato alle particelle del terreno) Poco tossico (LD50glifosate >>LD50NaCl)

54 Soia RR trattata con glifosate
Fig. 12.6 Immagine per gentile concessione del Centro Agricolo dell’Università Statale della Luisiana (LS, USA).

55 a b (a) Stocco di mais con una larva di piralide all’interno. (b) Particolare di spiga di mais matura con rosure ed escrementi di piralide e infestazione da Fusarium. immagini dei diversi parassiti del mais

56 a b c d a: b: (a) Larve e (b) adulto di Diabrotica. (c) Danni alle radici e (d) piante allettate di mais. Immagine cortesia (a) Scott Bauer, USDA Agricultural Research Service, Bugwood.org; (b) L. Nuccitelli, Servizio Fitosanitario del Lazio. c

57 Benefici e rischi Light box to register Corn rootworm Mais convenzionale (a sinistra) con evidenti rosure da piralide e infestazioni di fusarium. Il mais Bt (a destra) risulta più sano.

58 Fumonisine (mg/kg) Paese Anno
Mais Bt Conv. Italia 1997 2,0 19,8 1998 5,4 31,6 1999 1,4 3,9 20,0 2005 0,05 6,0 Francia 0,3 6,1 2006 0,4 5,6 Turchia 2001 2,5 16,5 2002 0,7 14,7 Livello di fumonisine in mais Bt e convenzionale in alcune prove sperimentali eseguite in Italia, Francia e Turchia in diversi anni.

59 Produzione e resa del cotone in India (1990-2010)
2 4 6 Resa fibra (q.li/ha) 18 dati FAO 16 Produzione cotone (Mt) 14 12 Area (Mha) 10 Cotone o fibra (Mt) 8 Resa fibra 6 4 2 Fibra di cotone (Mt) 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Per i dati di produzione, superficie e resa di ogni coltura e nazione: La produttività del cotone in India è più che raddoppiata con l’avvento del cotone Bt

60 Handbook of plant and crop stress
Mohammad Pessarakli Rese massime, medie e perdite di produttività delle maggiori colture. Valori in t/ha; % riferite alla resa massima.

61 } = ~35 q/ha 1 Mha x 35 q/ha = 3,5 Mt a 250* €/t  875 M€
Italia ( ) q/ha (dati ISTAT) Rese in q/ha del mais } = ~35 q/ha 1 Mha x 35 q/ha = 3,5 Mt a 250* €/t  *prezzo a Sett. 2012 USA ( ) (dati USDA) Per il prezzo del mais: q/ha 875 M€

62 Chicchi di riso convenzionale (a sinistra) e Golden rice (a destra).
Immagine per gentile concessione del prof. I. Potrykus, Svizzera.

63 Naqvi et al., (2009) PNAS 106: 7762–7767. Varietà transgenica di mais arricchito in provitaminaA, folato e ascorbato (in basso) e varietà convenzionale (in alto). A fianco i rispettivi chicchi in sezione. Immagine da: Naqvi et al Transgenic multivitamin corn through biofortification of endosperm with three vitamins representing three distinct metabolic pathways. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106;

64 Arabidopsis: una sconosciuta
infiorescenza Pianta giovane Fiore

65 Un poco di vocabolario 2 petali 4 carpelli 1 sepali 3 stami

66 Crisi di identità Mutante: Apetala Petalo  fiore Sepalo  fogliolina

67 Qualche problema in più
Pistillata Apetala3 Agamous petali  sepali petali  sepali stami  petali stami  carpelli stami  carpelli carpelli  fiore Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

68 B A C 1 2 3 4 sepali petali stami carpelli B A C 1 2 3 4
carpelli stami stami carpelli Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

69 DOPPIO MUTANTE nei geni di classe B e C
1 2 3 4 sepali x Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

70 1 2 3 4 B A C sepals petals stamens carpels 1 2 3 4 B A A C sepals petals petals new flower

71 Anche le petunie… Mutante agamous
Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

72 E pure il Cavolfiore… …imitato dall’arabidopsis

73 Anche i cetrioli hanno dei problemi
Fiore femminile del cetriolo Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

74 Frankliniela occidentalis (tripide) Frankliniella occidentalis
Uno degli insetti patogeni più aggressivi che danneggiano le coltivazione dei cetrioli nelle serre (Canada e USA) è Frankliniela occidentalis (tripide) Western flower thrips Frankliniella occidentalis

75 uova Adulto Larve Pupe Incontro
Accoppiamento Ciclo vitale di Frankliniella occidentalis Fiore femminile uova Adulto Larve Pupe Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

76 Mutante Green petals: B (CUM26)
S S C cum26 Petali  sepali Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

77 total damage mm2 thrips larvae wt gp mutant 8000 4000 200 100 C D Foglie basali apicali IVa conclusione: l’ingegneria genetica è più mirata, più predicibile, più veloce e meno costosa come metodo Green petals mutant Wild-type

78 Full bibliography of the open source volume of NEW BIOTECHNOLOGY, Elsevier 27/5, p , November 30, 2010 All published papers, statements and conference presentations in: It must be understood, that statements by the participants regarding the event do not constitute the opinion of the Vatican or the Pontifical Academy of Sciences. The official information, beyond any interview, is laid out in the English version of the ‚Statement’ agreed upon unanimously by all participants and in additional 15 world languages, see link above For interviews contact Prof. em. Ingo Potrykus or Prof. em. Klaus Ammann, or anybody else from the participants list: PUBBLICITA’

79 Ticchiolatura del melo
L’ingegneria genetica può aiutare a rendere l’agricoltura più sostenibile Fungo causa la malattia più rilevante per il melo Perdite produttive fino al 100% Coltivazione commerciale può richiedere trattamenti fungicidi all’anno

80 Girasole tollerante agli erbicidi
350,000 acri coltivati quest’anno negli USA Cross-breeding con parenti selvatici – SI Flusso genico verso varietà sensibili – SI Usa meno erbicida – NO; ma imazamox può persistere nel suolo. Spesso si raccomanda di non crescere varietà sensibili 21 mesi dopo l’uso dell’erbicida. Per di più, la resistenza a questo erbicida insorge velocemente, spesso dopo 4 o 5 trattamenti. Questo comporta un aumento nell’uso dell’erbicida. Invasione dell’ambiente – SI , il girasole coltivato ha caratteristiche infestanti. Si trova non solo lungo le strade e i margini dei campi come la colza, ma anche distante da sorgenti di semi. Stabilisce popolazioni persistenti in ambiente selvatico Due metodi, un risultato E’ una varietà resistente agli erbicidi ottenuta mediante metodi classici e pertanto non è controllata per la pericolosità ambientale (come invece accade per le piante GM).

81 Varietà CLEARFIELD (frumento) approvata dall’agenzia canadese il I. Brief Identification of Plant with Novel Traits (PNT) Designation(s) of the PNT: CLEARFIELD™ wheat line AP602CL Applicant: BASF Canada Plant Species: Wheat (Triticum aestivum) Novel Traits: Tolerance to imazamox, an imidazolinone herbicide Trait Introduction Method: Chemically induced seed mutagenesis Proposed Use: Production of wheat for livestock feed and human food. E’ una varietà resistente agli erbicidi ottenuta mediante mutagenesi chimica! Perchè si obbietta agli OGM ma non a queste varietà?

82 Varietà convenzionale
Prima della coltivazione occorre ottenere un permesso sulla base di documentazione scientifica Varietà transgenica Varietà convenzionale Immagini cortesia di A. McHughen (Canada)

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84 + Fermentazione alcolica converte gli zuccheri in etanolo e CO2 Uva
Etanolo + CO2 Saccharomyces cerevisiae O H Saccarosio O H Glucosio Fruttosio +

85 Ac. lattico Ac. malico Oenococcus oeni + CO2 Fermentazione malolattica che converte l’ac. malico in ac. lattico e CO2

86 malato decarbossilasi (mleA)
Fermentazione alcolica e malolattica con il lievito ML01 che contiene un trasportatore per il malato e un enzima che decarbossila il malato a lattato. Immagine del lievito cortesia di L. Popolo (Univ. di Milano). Etanolo + CO2 lattato malato decarbossilasi (mleA) Saccharomyces cerevisiae ML01 malato malato O H Glucosio Fruttosio + malato permeasi (mae1)

87 Mycotoxins are one of the major problems of maize cultivation
Mycotoxins are produced by two genera of fungi F. verticilloides F. proliferatum Fumonisin B1 Fumonisin B2 Fumonisin B3 Fusarium Aspergillus A. flavus A. parasiticus Aflatoxin B1 Aflatoxin B2 Aflatoxin B1 Aflatoxin B2 Aflatoxin G1 Aflatoxin G2 Slide by Katia Petroni, University of Milan, IT 87

88 Fungi can infect maize seeds from pre-harvest to post-harvest storage
Fungi grow under high humidity and warm temperatures. They produce mycotoxins under the terminal water stress prior to harvest wounding by pests facilitates Fusarium, but not Aspergillus infection European corn borer larva in a maize stalk Slide by Katia Petroni, University of Milan, IT 88

89 Major mycotoxins and their effects
Aflatoxin B1 and G1 are Mutagenic (chromosomal aberrations) Carcinogenic (liver, kidney) Fumonisin B1, B2 and B3 are 1. Carcinogenic (liver, kidney, esophagus) Teratogenic (neural tube defects) Stunting agents Aflatoxin B1 Fumonisin B1 Aflatoxin is a known human carcinogen Strict contamination limits apply

90 Total annual HCC cases attributable to aflatoxin worldwide: 25,200–155,000
Hepatocellular carcinoma (HCC) is the third leading cause of cancer deaths worldwide, with prevalence 16–32 times higher in developing countries than in developed countries. Aflatoxin is a known human liver carcinogen. Liu and Wu (2010) Environmental Health Perspectives Global Burden of Aflatoxin-Induced Hepatocellular Carcinoma: A Risk Assessment. Environ Health Perspect. 118:

91 Loss of Sphingomyelin means a reduced amount of folate transporter and folate uptake
Sphingomyelin is required for GPI-anchored proteins Folate transporter Fumonisins inhibit sphingolipid biosynthesis Reduces the formation of sphingomyelin Marasas et al. (2004)

92 HIV and hepatocellular and esophageal carcinomas related to consumption of mycotoxin-prone foods in sub-Saharan Africa Williams et al (2010) Am. J. Clin. Nutr. 92: doi: /ajcn As far as the HIV epidemic is concerned, food and nutritional factors have not received that same attention from a transmission perspective. Mycotoxin contaminants in foods may also be important in the HIV epidemic, for instance, chronic aflatoxicosis is associated with immune suppression and a reduction in essential nutrients and may result in deficiencies known to promote HIV progression.

93 Fig. 1. Per capita consumption of 4 mycotoxin-prone foods in sub-Saharan African countries in *Denotes median country for maize consumption. ##Denotes 2004 President’s Emergency Plan for AIDS Relief country. The consumption rates of maize, cassava, rice, and peanuts varied significantly across nations, providing varied levels of potential risk to aflatoxins and fumonisins.

94 HIV and esophageal cancer deaths were significantly related to maize.
Hepatocellular cancer deaths were positively related to rice but negatively related to maize consumption. %Muslim was positively correlated with rice consumption, but inversely with maize consumption Conclusions: HIV transmission frequency is positively associated with maize consumption in Africa. The relation between cancer and food suggests that fumonisin contamination rather than aflatoxin is the mostly likely factor in maize-promoting HIV. Williams et al (2010)

95 The most likely mechanism is that fumonisin might increase membrane permeability, which could promote HIV transmission. Alternatively, fumonisin may promote HIV infections by interfering with the biosynthesis of ceramide and complex sphingolipids, which are implicated in the membrane properties and in the attachment of HIV to human cells. However, the available evidence indicates that fumonisins result in less infective virions. Because some 1.7 million new infections are estimated to occur annually in SSA, the model predicts that addressing the cause of the HIV-maize relation may prevent up to one million new infections annually. Williams et al (2010)

96 Fumonisin exposure through maize in complementary foods is inversely associated with linear growth of infants in Tanzania Kimanya et al. (2010) Mol. Nutr. Food Res. 2010, 54, 1659–1667 Children who consumed complementary food with fumonisins concentrations 42 μg/kg body weight were on average 1.3 cm shorter and 328 g lighter at 12 months. The effect on weight was mediated by length loss.

97 Quetzaltenango has a mostly indigenous population that
consumes high amounts of maize as their staple food   Incidence of neural tube defects (NTD per 10,000 live births) General U.S. popul.: <3 Quetzaltenango: 106 US Incidenza di difetti del tubo neurale (NTD per ogni 10,000 nati vivi) in diverse regioni del Guatemala, Sud Africa e Cina. Sono mostrate anche le incidenze medie e il relativo range di diverse località nelle regioni o paesi Mean incidence and range in incidence of various locations within the regions or countries are shown; the bar for Limpopo represents one data point. In Italy the incidence of spina bifida is 3.3/10,000 in the period. Total NTDs: 6.8 Marasas et al. (2004)

98 Examples of suspected fumonisin-associated birth defects: anencephaly, spina bifida and encephalocele. All are from one summer in one hospital in Guatemala. Photos courtesy of Dr Julio Cabrera (from Parrott, 2010).

99 Spina bifida (a common form of NTD)
Spina bifida (Latin: "split spine") is a developmental birth defect caused by the incomplete closure of the embryonic neural tube. Some vertebrae overlying the spinal cord are not fully formed and remain unfused and open. If the opening is large enough, this allows a portion of the spinal cord to protrude through the opening in the bones. There may or may not be a fluid-filled sac surrounding the spinal cord. Other neural tube defects include anencephaly, a condition in which the portion of the neural tube which will become the cerebrum does not close, and encephalocele, which results when other parts of the brain remain unfused.

100

101 Folic acid and NTD The incidence of spina bifida can be decreased by up to 75% when daily folic acid supplements are taken prior to conception

102 Exposing pregnant mice or embryos to fumonisin causes NTDs
Embryos after 24 h in culture medium mother injected with 20 mg/kg body weight FB1 on d 7.5 and 8.5 50 µmol/L FB1 none Embryos after 24 h in medium d 17.5 50 µmol/L FB1 Exposing pregnant mice or embryos to fumonisin causes NTDs normal fetus 50 µmol/L FB1 plus 1 µmol/L folinic acid Marasas et al. (2004) Fumonisins Disrupt Sphingolipid Metabolism, Folate Transport, and Neural Tube Development in Embryo Culture and In Vivo: A Potential Risk Factor for Human Neural Tube Defects among Populations Consuming Fumonisin-Contaminated Maize. J. Nutr. 134:711-6.

103 Fumonisin and Bt corn Reducing insect damage in corn also reduces the risk of Fusarium contamination. Several (field) studies have shown that Bt corn has significantly lower levels of fumonisin. Hammond et al. (2003) Reduction of fumonisin mycotoxins in Bt corn. Toxicologist 72(S-1): 1217. Hammond et al. (2004) Lower fumonisin mycotoxin levels in the grain of Bt corn grown in the United States in J Agric Food Chem. 52: Bakan et al. (2002) Fungal growth and fusarium mycotoxin content in isogenic traditional maize and genetically modified maize grown in France and Spain. J Agric Food Chem. 50: Duvick (2001) Prospects for reducing fumonisin contamination of maize through genetic modification.Environ Health Perspect. 109 Suppl 2: Dowd (2000) Indirect reduction of ear molds and associated mycotoxins in Bacillus thuringiensis corn under controlled and open field conditions: utility and limitations. J Econ Entomol. 93: Munkvold and Hellmich (1999) Comparison of fumonisin concentrations in kernels of transgenic Bt maize hybrids and nontransgenic hybrids. Plant Dis 83:130–138. Dowd (2001) Biotic and abiotic factors limiting efficacy of Bt corn in indirectly reducing mycotoxin levels in commercial fields. J Econ Ent 94: 1067–1074. Williams et al. (2002) Aflatoxin accumulation in conventional and transgenic corn hybrids infested with southwestern corn borer (Lepidoptera: Crambidae). J Agric Urban Entomol 19(4): 227–236. Magg et al. (2003) Concentration of moniliformin produced by Fusarium species in grains of transgenic Bt maize hybrids compared to their isogenic counterparts and commercial varities under European corn borer pressure. Plant Breeding, 122: Barros et al. (2009) Fungal and mycotoxin contamination in Bt maize and non-Bt maize grown in Argentina. World Mycotoxin Journal 2:53-60. Brookes G, The benefits of adopting genetically modified, insect resistant (Bt) maize in the European Union (EU): first results from plantings.

104 Field trials in Northern Italy
Fumonisin content ppb (μg/kg) Author Year Maize Bt Non-Bt Pietri, 2000 1997 2.021 19.759 1998 5.448 31.632 1999 1.394 3.902 Masoero, 1999 1.970 20.050

105 Landriano field trial (2005)
FAO class Hybrid t/ha (15,5% moist) moist% at harvest ECB larvae* Fum.B1 (ppb) 600 P66 11.1 23,3 30 6300 P67 (Bt) 15.9 26,7 60 500 Cecilia 11.0 21,3 28 6100 Elgina (Bt) 14.1 23,5 48 P66 is isogenic to P67, Cecilia is isogenic to Elgina *European Corn Borer larvae number at harvest within the plant (stalk, peduncle and ear) Unpublished data from T. Maggiore (Milan Univ.) Field trial funded by the Italian government through INRAN

106 Instead of supporting the development of improved plant varieties...
Slide by Wayne Parrot. See presentation at the PAS meeting Instead of supporting the development of improved plant varieties...

107 Reducing glucosinolate content...
...stimulates pest growth and damage! Beekwilder et al., (2008) PLoS 3:e2068

108 Libri,siti e documenti utili
“OGM o non OGM? Come comportarsi con gli alimenti geneticamente modificati” di A. McHughen, Centro scientifico Editore FAQ R. Lombardia Consensus document Consensus Sicurezza

109 Bibliografia Storia dell’agricoltura: * Bruce Smith “The emergence of Agriculture” (Ed. Scientific Am.) * J. Diamond “Guns, germs and steel” (tr. it.: “Armi acciao e malattie” Einaudi) Debolezza delle piante coltivate: Crawley at al, 2001, Nature 409:682-3 Creso: L’informatore Agrario (1984) n.25, pag Per i metodi usati nello sviluppo delle piante agrarie: qualsiasi manuale di miglioramento genetico, manuale di colture cellulari Esemi di incroci tra specie distanti: Goodman RM et al., Gene transfer in crop improvement. Science 1987, 236:48-54 Alcune diapositive sono opera del Dr. B. R. Thomas reperibili a: biolink_06_2001/thomas/thomas_06_2001.htm