Le Biotecnologie Vegetali

Presentazione sul tema: "Le Biotecnologie Vegetali"— Transcript della presentazione:

1 Le Biotecnologie Vegetali

2 Cosa sono le biotecnologie?
European Federation of Biotechnology: The integrated use of biochemistry, microbiology, and engineering sciences in order to achieve technological (industrial) application of the capabilities of microorganisms, cultured tissue cells, or parts thereof Storia delle biotecnologie Età inconsapevole (vino, birra, pane, formaggi) Le biotecnologie vengono definite in modi diversi da diverse organizzazioni. L'utilizzo integrato di biochimica, microbiologia e scienze ingegneristiche, al fine di ottenere un’applicazione tecnologico (industriale) delle funzionalità di microrganismi, tessuti o parti di essi La biotecnologia è emersa come nuova disciplina durante gli anni ‘70, a seguito di scoperte rivoluzionarie fatte nei settore delle scienze biologiche e degli avanzamenti della tecnologia. Tuttavia, se si traccia l'origine delle biotecnologie si può dire che sia antica quanto la civiltà umana. I primi (inconsapevoli) impieghi delle biotecnologie riguardano il settore agroalimentare. Da migliaia di anni, infatti, l’uomo utilizza lieviti per ottenere pane, burro, formaggi, vino, birra. Mendel si dedicò allo studio dell’ibridazione delle piante per capire i meccanismi e i fondamenti scientifici di questa prassi usata in agricoltura. Gli straordinari risultati sull’ereditarietà dei caratteri, che di fatto aprono la strada allo sviluppo della genetica, furono ignorati dai botanici dell’epoca. Solo nel ‘900 la via tracciata da Mendel sarà ripresa con successo Louis Pasteur, tra il 1857 e il 1876, a identificare con precisione i batteri responsabili della fermentazione del malto d’orzo, della fermentazione lattica e butirrica, e i microbi responsabili della produzione del vino e dell’aceto. Oggi viviamo la “terza età”, la terza fase delle applicazioni biotecnologiche. Idealmente ha inizio nel 1953 con la scoperta della struttura del DNA.  La scienza sa che le “informazioni della vita” di qualsiasi essere, vegetale o animale, semplice o complesso, sono contenute nel DNA. Contestualmente nasce l’ingegneria genetica, ovvero la possibilità di manipolare il DNA di un organismo per modificarlo o per combinarlo con parti di DNA di un altro organismo (DNA ricombinante) Nascita della genetica (seconda metà ‘800: Pasteur e Mendel) “Terza età” (Scoperta struttura DNA, nascita dell’ingegneria genetica ) DNA RICOMBINANTE

3 I diversi settori di applicazione delle biotecnologie:
Farmacologia e medicina (insulina, ormone crescita, vaccini) Ambiente (biorisanamento da metalli pesanti e idrocarburi) Agricoltura, zootecnia e veterinaria Resa delle colture Riduzione della vulnerabilità delle colture a stress ambientali Incremento qualità nutrizionali Migliorate il gusto, la consistenza o l'aspetto del cibo Riduzione dipendenza da fertilizzanti, pesticidi e agrochimici Produzione di nuove sostanze in piante coltivate Farmacologia: prodotte  proteine ricombinanti[ ad uso medico quali: ormoni (insulina ed ormone della crescita), fattori di crescita (Eritropoietina e HGFs), citochine (interferoni e interleuchine), vaccini e anticorpi monoclonali Bioindustria impiega microrganismi naturali o geneticamente modificati per migliorare un dato processo industriale nella produzione di antibiotici, vitamine, amminoacidi, enzimi, zuccheri, bevande, additivi, acidi, solventi, detergenti, collanti, olii, materie plastiche…; Ambiente: le caratteristiche genetiche di diversi organismi vengono esaltate e impiegate per la tutela dell’ambiente, per la lotta all’inquinamento (spesso al posto di elementi chimici di sintesi), per la tutela delle specie in via di estinzione e la salvaguardia della biodiversità isolare e rimuovere dall'ambiente le sostanze ritenute inquinanti come per esempio metalli pesanti e idrocarburi. Agroalimentari: per selezionare vegetali e animali transgenici in modo da ottenere varietà più produttive o resistenti a malattie, parassiti, avverse condizioni ambientali; introduzione di proteine in un organismo vegetale, esistono modifiche che intervengono su intere vie metaboliche in modo da incentivare la produzione di metaboliti secondari (vedi golden rice o pomodori ricchi di antociani[) 

4 MaS (Marker assisted Selection): accelera e semplifica la selezione dei genotipi con le migliori caratteristiche, derivati principalmente da incroci ottenuti da programmi di miglioramento genetico tradizionale La caratterizzazione del germoplasma: misurazione e documentazione di tratti ereditabili di una specie vegetale, volte a descrivere e comprendere la diversità genetica degli organismi Mutazione “indotta” : causata dall’azione dell’uomo e non risultato di processo di riproduzione sessuale. La più diffusa tecnologia di mutazione indotta è la mutagenesi che prevede l’impiego di agenti mutageni (sostanze chimiche o radiazioni), che modificano il DNA e creano nuovi genotipi TILLING versione tecnologicamente avanzata della mutagenesi tradizionale. Combina mutagenesi chimica e “screening” molecolare basato sulla reazione PCR. Permette un’identificazione diretta delle mutazioni puntiformi a carico di un gene specifico. IBRIDAZIONE SOMATICA: tecnica attraverso la quale si ottengono degli ibridi detti somatici da piante appartenenti a specie e/o generi incompatibili, nelle quali l’ibridazione tradizionale è impossibile.

5 Coltivazioni Sperimentali In Corso Nel Mondo
Food/Plants Description Asparagi produzione di piante maschili, perché le femmine non sono utilizzabili a scopi alimentari Banane resistenza a virus e parassiti Banane resistenza a virus e parassiti Broccoli rallentamento della fioritura in modo da non avere fiori gialliche crescono mentre sono in frigo; resistenza ai bruchi Caffè incremento della resa di ogni pianta; aroma più intenso; minore contenuto di caffeina; resistenza ai parassiti Carote rimanere a lungo più croccanti Cavoli resistenza ai bruchi Cetrioli resistenza a funghi, virus e batteri Cicoria gusto più dolce Colza modifica della composizione degli olii contenuti per ottenere grassi insaturi; Fragole resistenza al congelamento in modo da anticipare la semina; Girasole Ottenimento di un olio più nutriente abbassando il contenuto di grassi saturi

6 Grano resistenza ai diserbanti e produzione di farine migliori per la panificazione Lamponi ritardo nella maturazione in modo da facilitare la distribuzione e la commercializzazione Lattuga resistenza all'attacco di bruchi e altri insetti Mais resistenza all'attacco di altri tipi di insetti Mele resistenza ai suoi parassiti e agli insetti Meloni aumento della durata della maturità una volta staccati dalla pianta Melanzane resistenza al suo parassita e minor numero di semi Palma miglioramento della resa sia del frutto che del cuore e la produzione di olio Patata resistenza ai parassiti e alle malattie; resistenza a bruchi e scarafaggi; sapore più dolce; minore assorbimento di olio durante la frittura Pomodori resistenza all'attacco degli insetti e alle malattie virali; resistenza ad alcuni trattamenti chimici; maturazione più lenta una volta staccati dalla pianta; sapore più intenso e dolce; incremento del contenuto della parte solida in rapporto a quella acquosa; cottura più rapida per i prodotti in scatola Sedano rimanere a lungo croccante Riso resistenza agli insetti; crescita in acqua salmastra; incremento della vitamina A Soia incremento della resa con minor fertilizzante; resistenza ai diserbanti; arricchimento della parte proteica

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8 Genomica nutrizionale:
disciplina che si concentra sulla comprensione dei processi biochimici, dei processi di assorbimento e di mobilitazione che sono necessari nelle piante per sostenere la salute umana Ferro Zinco Vitamina A Iodio le più gravi carenze nutrizionali in tutto il mondo Accanto alla fortificazione industriale (esempio iodio nel sale ) e alla supplementazione (vitamine in capsule): BIOFORTIFICAZIONE Sfrutta la capacità biosintetica della pianta (vitamine) o fisiologica capacità di produrre o accumulare i nutrienti desiderati (minerali)

9 LA VITAMINA A LA VITAMINA A E’ FONDAMENTALE PER ALCUNI PROCESSI FISIOLOGICI COME LA VISTA NONCHE’ PER LO SVILUPPO EMBRIONALE ED IL SISTEMA IMMUNITARIO

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12 Questo riso “dorato” si ottiene prelevando 2 geni, la fitoene sintasi (PSY) e la licopene β-ciclasi (LCY-B) da Narcissus pseudonarcissus e il gene della carotene isomerasi (CRTI) da Erwinia amilovora, un batterio comunente presente nel suolo e patogeno nei confronti delle maloidee. Agrobacterium Batterio fitopatogeno Geni per b-carotene Plasmide (DNA batterico) Embrione di riso PSY LCY-B CRTI Riso trasformato (Batterio)

13 2005: GR 2 Psy di mais che produce 23 volte la quantitá originaria di vitamina A

14 SOIA + NOCI del Brasile (Bertholletia excelsa)
Germogli di soia sono importanti in quanto forniscono aminoacidi e acidi grassi essenziali nella dieta. Il consumo di prodotti derivati dalla soia ha dimostrato ridurre i livelli di colesterolo e ridurre i rischi di malattie renali, cardiache e osteoporosi Tuttavia, la soia non è una fonte "completa" di proteine ​​per gli uomini e gli animali dal momento che la soia non è ricca in METIONINA aminoacido essenziale. 2S albumina da noci del Brasile CASI DI ALLERGIA

15 ALTRI RISCHI LEGATI AGLI OGM:
TRASFERIMENTO DI FATTORI DI RESISTENZA AD ANTIBIOTICI IN MICRORGANISMI SAPROFITI E SOLO POTENZIALMENTE PERICOLOSI TRASFERIMENTO NELLE POPOLAZIONI NATURALI DELLE NUOVE CARATTERISTICHE TRAMITE IL POLLINE MODIFICAZIONI DI RAPPORTI ECOLOGICI TRA PIANTE ED ANIMALI PRODUZIONE INDESIDERATA DI TOSSINE ENDOGENE O DI NUOVE MOLECOLE POTENZIALMENTE DANNOSE DIPENDENZA DA MULTINAZIONALI CHE DETENGONO I BREVETTI

16 Piante di pomodoro transgeniche
La manipolazione genica della via biosintetica dei carotenoidi è di grande interesse in quanto produce i PIGMENTI principali: β-carotene Licopene Cancro alla prostata Prevenzione malattie cardiovasculari Salute della vista e della pelle Fitoene sintasi, 2 geni: Psy-1 e Psy-2 Psy-1 codifica l’isoforma dell’enzima specifica del frutto in maturazione Psy-2 predomina nei tessuti verdi, includendo i frutti verdi maturi e non ha nessun ruolo nella carotenogenesi dei frutti in maturazione Gli enzimi responsabili della ciclizzazione del licopene sono le licopene-ciclasi: β-LCY (geni: LCY-B e CYC-B) ε-LCY

17 Carotenogenesi durante lo sviluppo del frutto di pomodoro
ETILENE LUCE DOXP PSY-1↓ (Fitoene sintasi-1) PSY-2↑ (Fitoene sintasi-2) PSY-1↑ PSY-2, LCY-B e LCY-E ↓ 1-deossi-D-xilulosio 5-fosfato sintasi (ciclasi) La carotenogenesi nei frutti è differente da quella dei tessuti vegetali. Allo stadio invaiato il colore rosso del licopene inizia a comparire, il contenuto di clorofilla diminuisce e le proprietà organolettiche del frutto cambiano.

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19 BIOTECNOLOGIE DEI FLAVONOIDI NEL POMODORO
Si può aumentare il contenuto di flavonoli nei frutti di pomodoro? Il 95-98% della naringenina calcone e circa il 98 % dei flavonoli quercetina e camferolo-glicoside è localizzato nella buccia CHS DFR=diidroflavonol reduttasi ANS=antocianidina sintasi CHI DFR+ANS F3H F3’5’H FLS FLS

20 Metabolismo dei fenilpropanoidi

21 TRASFORMAZIONE DEL POMODORO TRAMITE il gene CHI DA PETUNIA HYBRIDA
CHI E’ LO STEP LIMITANTE LA BIOSINTESI DEI FLAVONOIDI! NEL FRUTTO DI POMODORO SI HA UN GRANDE ACCUMULO DI NARINGENINA CALCONE INCREMENTO NELLA BUCCIA DELLA QUERCETINA E DEL KAMFEROLO RISPETTIVAMENTE DI 66 E 57 VOLTE RISPETTO AL NON-GM TRASFORMAZIONE con CaMV35S::PeCHI::Tnos

22 TRASFORMAZIONE DEL POMODORO TRAMITE GENI LC E C1 DI MAIS
NEL MAIS I FATTORI DI TRASCRIZIONE LC (MYC-type) E C1 (MYB-type) CONTROLLANO L’ESPRESSIONE DI ALCUNI GENI DELLA BIOSINTESI DEI FLAVONOIDI Incremento nella polpa del contenuto di glicosidi del canferolo e della naringenina Nessun effetto nei trasformanti con i singoli geni LC o C1. Aumento di flavonoli globale di più di 20 volte solo nelle piante trasformate con entrambi i geni L’espressione dei geni chs e f3h (flavanol-3-idrossilasi) aumentava di volte No up-regolazione di f3’h ed f3’5’h e solo debole di chi che rimane limitante No antocianine nei frutti

23 TRASFORMAZIONE DEL POMODORO TRAMITE STILBENE SINTASI DI VITE
CUMAROIL CoA + 3X MALONIL CoA RESVERATROLO

24 Modulazione del metabolismo secondario
tramite l'utilizzo di strategie sostenibili di produzione e conservazione

25 BIODIVERSITA’ FITOCHIMICA
METABOLISMO PRIMARIO Sostanzialmente omogeneo Produzione di molecole identiche nelle diverse specie METABOLISMO SECONDARIO Produzione di innumerevoli molecole differenti non solo da specie a specie ma anche all’interno della stessa specie Strumento fondamentale per fronteggiare modifiche e avversità ambientali. Produzione di prodotti naturali che possono presentare diversi effetti.

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27 CAROTENOIDI FLAVONOIDI VISIONE PROPRIETA’ ANTITUMORALI
ELEVATO POTERE ANTIOSSIDANTE VISIONE PROPRIETA’ ANTITUMORALI PROTEZIONE DA MALATTIE CARDIO VASCOLARI FLAVONOIDI ELEVATO POTERE ANTIOSSIDANTE PROTEZIONE DA MALATTIE CARDIO VASCOLARI PROPRIETA’ ANTITUMORALI PROPRIETA’ ANTIBATTERICHE ed ANTIVIRALI MODULAZIONE DEL SISTEMA IMMUNITARIO PROPRIETA’ ANTIALLERGENICHE

28 E’ POSSIBILE MODIFICARE IL CONTENUTO DI COMPOSTI NUTRACEUTICI UTILIZZANDO MODALITA’ DI COLTIVAZIONE O DI CONSERVAZIONE DIVERSE ED ECOCOMPATIBILI ?

29 CONTROLLO (PE) (PE + benzofenone) - UVB UV-B 35-40 DPA 52 DPA 56-60 DPA buccia e polpa w/m2 nm WT CV. MONEYMAKER Pomodoro wild type attualmente utilizzato per il sequenziamento del genoma del pomdoro

30 La schermatura UV-B induce:
PSY1 CrtL-b CrtL-e C -UVB BUCCIA Effetto opposto tra buccia e polpa sui geni a monte (PSY1) e a valle del licopene (CrtL-b) PSY1 CrtL-b CrtL-e POLPA

31 La schermatura UV-B induce:
fitoene licopene carotenoidi tot C -UVB a a a b b b BUCCIA mg/100 g fw c c c c c c d d d d Ridotto accumulo di fitoene, licopene e carotenoidi totali, sia nella buccia che nella polpa d d fitoene licopene carotenoidi tot a a a POLPA mg/100 g fw b b b c c d d c c c c d d d d

32 Minore trascrizione di tutti i geni allo stadio MG
La schermatura UV-B induce nella buccia di Money Maker: CHS CHI C -UVB Minore trascrizione di tutti i geni allo stadio MG F3H L’effetto della radiazione UV-B si esercita lungo tutta la via biosintetica. F3’H FLS

33 La schermatura UV-B induce nella buccia di Money Maker:
naringenina calcone mg/100 g fw rutina quercetina 3-quercetin-pentosil-rutinoside -26% -66% -89% flavonoidi totali e b c a d mg/100 g fw Ridotto accumulo di naringenina calcone, quercetina, rutina e rutin-derivato Il minore accumulo di flavonoidi nei campioni schermati deriva dalla ridotta trascrizione genica allo stadio MG. Ridotto accumulo di flavonoidi totali

34 Minore trascrizione di CHS, F3H e F3’H allo stadio MG
La schermatura UV-B induce nella polpa di Money Maker: CHS CHI C -UVB Minore trascrizione di CHS, F3H e F3’H allo stadio MG F3H F3’H FLS

35 La schermatura UV-B induce nella polpa di Money Maker:
rutina 3-quercetin-pentosil-rutinoside quercetina mg/100 g fw naringenina calcone C -UVB a b c mg/100 g fw favonoidi totali Nonostante la minore trascrizione genica il contenuto di flavonoidi risulta invariato. Flusso di metaboliti dalla buccia alla polpa?? Invarianza nel contenuto di flavonoidi totali

36 Trattamento in post raccolta
(1h g-1, 6.08 kJ m-2 g-1) +UVB -UVB Lampade UV-B Lampade UV-B + film plastico RR MG MG RR RR TU TU RR Spettro UV-Vis Il rettangolo colorato indica la regione UV-B

37 Maggiore accumulo di carotenoidi
L’irraggiamento UV-B di frutti di pomodoro Money Maker RR determina: polpa buccia MG C TU C MG +UVB TU +UVB mg 100 g-1 pf Maggiore accumulo di carotenoidi licopene b-carotene polpa buccia Maggiore accumulo di composti fenolici mg 100 g-1 pf fenoli flavonoidi flavonoli

38 Methods Temperature: 20°C Irradiance UV-B: 1,68 W/m2 Vis
Harvest 12 h 24 h 36 h UV-B treatment Temperature: 20°C Irradiance UV-B: 1,68 W/m2 W/m2 UV-B + UV-B - Vis nm Visible light UV-B Light Plastic film UV-B + UV-B -

39 Materials: SUNCREST BABYGOLD 7 BIG TOP SKIN: Ground: yellow
Overcolor: 60-70% Tomentosity: medium-high FLESH: yellow MELTING FREESTONE FIRMNESS: medium SKIN: Ground: yellow Overcolor: 10-30% Tomentosity: medium-high FLESH: yellow NON MELTING CLINGSTONE FIRMNESS: medium-high SKIN: Ground: yellow Overcolor: % Tomentosity: absent FLESH: yellow SLOW MELTING FREESTONE FIRMNESS: medium-high

40 Suncrest a a a a a a a a a a a b a b a a b a b a

41 BIG TOP a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a b a b a

42 Babygold 7 a a a a a a a a a a a a a b a a a a a a

43 A) B) C) a a a a a a a a b a a b b b b a b b a a a a a a a a a a a a a
Total phenols (flesh and peel) Catechins peel Proanthocyanidins peel C) a a a a a a a a a a a a a b b b a b

44 a b c ab b a c a b c

45 Endo-polygalacturonase Western Blot Expansins Western Blot
Suncrest Babygold 7 Big Top Endo-polygalacturonase Western Blot Suncrest Babygold 7 Big Top Expansins Western Blot

46 (modesta intensità-durata)
Trattamenti UV-B (modesta intensità-durata) Riduzione della perdita di composti bioprotettivi durante la maturazione fuori pianta Tecnologia promettente per preservare (e incrementare) le proprietà nutraceutiche di altri prodotti ortofrutticoli Trattamento UV-B negli scaffali e nei banchi frigo dei supermercati (già dotati di impianto di illuminazione e di controllo della temperatura) Ma anche nei distributori automatici di frutta e verdura