La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Weeds get boost from GM crops ? Corso di valutazione rischio ambientale biotecnologie Andrea Bianchi.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Weeds get boost from GM crops ? Corso di valutazione rischio ambientale biotecnologie Andrea Bianchi."— Transcript della presentazione:

1 Weeds get boost from GM crops ? Corso di valutazione rischio ambientale biotecnologie Andrea Bianchi

2 Negli ultimi anni sono stati condotti studi sull’impatto ecologico/ambientale delle specie transgeniche coltivate (“crops”) in ambienti naturali o semi-naturali. Cosa si intende per fitness? è la probabilità di soppravvivenza e riproduzione di un genotipo Le componenti della fitness sono quindi tutti gli aspetti e/o caratteri su cui la selezione può agire Le critiche vertono sulla possibilità di diffusione dei transgeni nelle popolazioni selvatiche e gli effetti sulla dinamica di tali popolazioni La diffusione di geni nelle popolazioni dipende dalla fitness associata al genotipo

3 Due specie molto studiate: il girasole (Helianthus annuus,Asteraceae) la colza (Brassica napus,Brassicaceae)

4 Brassica napus Family: Brassicaceae/Cruciferae (cabbage family) Raps ; Winterfutterraps Colza; Navette Cavolo navone; Colza Rapeseed; Rape;oilseed-rape;Rutabaga; Swedish turnips; Turnip- rooted cabbage; Canola Brassica campestris var. rapa = rapa Brassica napus var. oleifera = colza Brassica campestris var oleifera = ravizzone Brassica napus var. rapifera = navone A questo genere appartengono anche il cavolfiore,i l cavolo di Bruxelles,il cavolo-verza,il cavolo-cappuccio e il broccolo. Tanto per fare un po’ di confusione:

5 Spesso si ritiene che le specie coltivate non possano persistere in ambienti naturali o semi-naturali. La presenza di piante al di fuori dei campi sarebbe quindi conseguenza della coltivazione in corso quell’anno o dell’ anno precedente. Si dimostra che questo è FALSO:piante di una varietà di colza (“simple zero”) la cui coltivazione è cessata nel 1988,sono ancora presenti nel 1996 e 1997 in alcuni “feral sites”,cioè aree/spazi non coltivati ma vicini a zone coltivate (ad esempio i margini delle strade). Non è vero quindi che la presenza di una specie/varietà nell’ambiente (transgenica o tradizionale) è completamente e immediatamente eliminabile solo interrompendone la coltivazione

6 Si tratta di uno studio che come il precedente NON considera ancora varietà transgeniche,ma è “propedeutico” per questo argomento I fattori considerati favoriscono o limitano l’introduzione di geni dalla varietà coltivata a quella selvatica a livello della F1? Se la fitness degli ibridi è ridotta, la F1 si comporta come la (prima) “barriera” contro “l’introgression” (ma non sempre avviene). OBBIETTIVO: Confrontare le caratteristiche di una F1 ibrida (coltivato X selvatico) nel girasole

7 PROCEDURA 1. crops X wild F1 ibrida le piante selvatiche:dal Kansas,Nord Dakota,Texas le varietà commerciali: “Triumph e USDA” 1. Sotterrare i semi 2. Prelevare dopo 2-4 mesi 3. Seminare 4. Prelevare le piantine dai semi germinati entro la 1 settimana 5. Crescita parallela all’aperto in vaso (Ohio) e in campo (Kansas) 6. Osservare il periodo e la durata di fioritura 7. Valutare come indice di fecondità  numero fiori / pianta  semi / fiore  semi / pianta

8 Risultati Ibridi vs wild  La massa (peso) dei semi ibridi è maggiore della massa di semi selvatici solo in 3 casi su 6  La germinabilità dei semi dopo 1 settimane dal dissotteramento è maggior nelle piante ibride (B).I semi selvatici non germinati sono in gran parte ancora vitali W = wild T = Triumph U = USDA

9  Individui selvatici fanno più fiori, soprattutto in vaso (A,B)  Anche se i fiori sono più piccoli (meno semi / fiore) le piante selvatiche complessivamente fanno più semi di quelle ibride (C) Ibridi vs wild Numero di fiori / piantaNumero semi / pianta In campo In vaso C)C)

10 Fenologia: I periodi di fioritura delle piante coltivate in vaso si sovrappongono (anche in campo,ma non è mostrato) Le piante, anche se coltivate nello stesso luogo, sono derivate da semi provenienti da 3 stati diversi

11 Conclusioni: 1.Le piante ibride F1 mostrano caratteristiche LEGGERMENTE SVANTAGGIOSE rispetto alle piante selvatiche:  meno fiori (più grandi)  meno semi  dormienza dei semi ridotta (Kansas e Nord Dakota) o comparabile (Texas) 2.La fenologia è inalterata 3.Le differenze F1-wild sono dovute :  alla variabilità delle piante selvatiche (Texas,Nord Dakota o Kansas)  Al trattamento (vaso o campo)  NON alla varietà commerciale utilizzata (USDA o Triumph) La F1 ha fitness variabile e in ogni caso NON apprezzabilemente ridotta Il background genetico probabilmente NON costituirebbe una barriera efficiente contro la diffusione di un ipotetico (trans)gene nella popolazione selvatica Più evidenti in coltivazione in vaso

12 Problema: è difficile predire l’invasività e / o la fitness basandosi su uno o pochi caratteri “sospetti” come nell’esperimento precedente Per una stima dell’invasività si utilizza di solito il tasso finito di crescita λ (“finite rate of increase” Crawley,1986): λ=S t+1 /S t Vantaggio di λ: include tutti i fattori che regolano la crescita di una popolazione,anche quelli che singolarmente potrebbero NON essere riconosciuti come importanti È un metodo più potente dello studio di uno o pochi fattori / fasi del ciclo vitale

13 Ecology of transgenic oilseed rape in natural habitats Nature Crawley et al OBIETTIVO DELLO STUDIO: Valutare l’eventuale invasività di due varietà GM (resistente al glufosinato e alla Kanamicina) PROCEDURA 1. Semina delle piante in 12 habitat in 3 regione dell’UK (4 habitat / regione) 2. Conta del numero di individui presenti ogni anno in ogni habitat 3. Calcolo di λ generale (tutti gli habitat) per ogni anno 4. Stima della soppravvivenza dei semi sotterrati

14 Sutherland 4 habitats (9-12) Coltivato – non coltivato BerkShire 4 habitats (5-8) Coltivato – non coltivato Cornwall 4 habitats (1-4) Coltivato – non coltivato Periodo

15 CultivatedUncultivated λ= (1-d 1 -g) + g (1-d 2 )F d 1 =semi morti il 1 ° anno d 2 =semi morti il 2° anno (dopo l’inverno) G=semi germinati in primavera F=numero medio di semi prodotto da ogni seme germinato il 1° anno 1991

16 Risultati 1.Le popolazioni GM e quella di controllo hanno tassi di crecsita simili 2.La dinamica di popolazione è influenzata negativamente dalla competizione con altre piante in tutti i casi 3.La differenza principale in λ è data dalla condizione coltivato vs non coltivato e NON da transgenico vs non transgenico 4.La soppravvivenza dei semi nel suolo non è maggiore per la colza GM Il transgene non conferisce vantaggio selettivo cioè non aumenta la fitness della pianta GM

17 Transgenic Crops in natural habitats Nature vol 409 (Crawley et al,2001) L’obiettivo dello studio è un’estensione al precedente: le piante GM sono più invasive o più persistenti delle piante tradizionali? 4 diverse specie:  Mais (glufosinato)  Sugar beet (glifosato)  Potato (pea lectin)  Potato (Bt toxin) Ancora 12 habitats ( 4 habitats per ciascuna delle 3 regioni) 10 anni di osservazioni

18 Blu = tradizionale Rosso = transgenico Risultati La frequenza di soppravvivenza dopo un anno dalla semina NON è maggiore per le piante transgeniche

19 In particolare lo studio ha rilevato:  Nessuna specie (GM o tradizionale) aumenta in nessuno dei siti esaminati.  Già dopo il primo anno tutte popolazioni diminuiscono e non c’è differenza nella persistenza delle popolazioni GM o tradizionali  Le popolazioni di mais,sugar beet e rape dopo 4 anni sono estinte  In un solo sito una popolazione di patate è presente dopo 10 anni, ed è composta interamente da patate tradizionali. Nota: gli autori considerano un carattere di resistenza agli insetti come “unexpected to increase plant fitness in natural habitats”…

20 Ibridazione tra specie coltivate e selvatiche: una “via di fuga” per i (trans)geni? (Colwell et al. 1985,Goodman and newel 1985) Il problema si sposta sul trasferimento di transgeni dalle specie coltivate a quelle selvatiche (“introgression”) Se le specie GM coltivate fino ad ora non hanno mostrato un’aumentata fitness in ambienti naturali o coltivati

21 Common nameScientific name Corn Zea mays Beans Phaseolus spp. Potato Sweet Solanum tuberosum Potato Ipomoea batatas Cassava Manihot esculenta Groundnut Arachis hypogaea Wheat Triticum spp. Barley Hordeum vulgare Sorghum Sorghum bicolor Millets Eleusine coracana and Pennisetum americanum Rice Oryza sativa and Oryza glaberrima Soyabean Glycine max Banana/PlantainMusa spp È noto che 12 su 13 delle più importanti specie coltivate NON transgeniche possono incrociarsi con le corrispondenti specie selvatiche: L’eccezione è la banana (è triploide e sterile)

22 ?

23 Spesso si associa ai transgeni l’idea di un fenotipo sicuramente “benefico” per la specie selvatica. OBBIETTIVO DELLO STUDIO: il “costo” del mantenimento del transgene in assenza dell’erbicida in ambiente controllato (non in campo) nella specie selvatica (non quella coltivata). Il transgene aumenta o riduce la fitness della specie selvatica?

24 Per prima cosa occorre introdurre nella specie selvatica il gene per la resistenza :

25 Protocollo sperimentale: valutazione della variabilità dei 6 gruppi di progenie BC 3 nelle camere di crescita (1-2-3)  Anche se le piante della generazione BC3 (“backcross” 3) sono tutte transgeniche,varia molto la germinabilità dei semi (da 56% a 100%)  è costante invece la proporzione di piante con piu’ di 1 frutto  La soppravvivenza dei semi selvatici è del 95% (non mostrato)

26 Transgenico vs non-transgenico:  Il numero totale di semi per pianta NON dipende dalla presenza del transgene,ma dal gruppo di piante BC3 e dalla camera di crescita  Lo stesso vale per il numero di frutti per pianta  Non c’è differenza significativa nella fertilità del polline (BC 3 95%,92 % wild)  Sembra non esserci un “costo” associato al gene per la resistenza (in assenza dell’uso di erbicida)  Eventuali “performances” ridotte nella F1 e nelle prime generazioni (minor produzione di semi negli ibridi) tendono a scomparire con successive generazioni di back-crosssing

27 Tabella riassuntiva Transgenico (BC 3 ) vs non-transgenico (wild)

28 CONCLUSIONI: Il gene per la resistenza all’erbicida è mantenuto nella popolazione anche in assenza di pressione selettiva dell’erbicida,senza nessuno svantaggio per le piante Altri transgeni potrebbero passare dalla specie coltivata a quella selvatica dopo poche generazioni di back-cross (che si verifica naturalmente) Se questi geni non sono fortemente svantaggiosi potrebbero mantenersi stabilmente nelle popolazioni selvatiche Se questo “pattern” è valido anche in campo

29 Domanda: Con un esperimento come quello precedente: è possibile conoscere il motivo di una eventuale riduzione o alterazione della fitness nelle piante transgeniche ? è dovuta alla presenza del transgene in sè È dovuta ad altri fattori ( distruzione di geni selvatici per inserzione del transgene,a geni “deleteri” provenienti dalla specie coltivata ecc..) La risposta è No Sono comunque stati effettuati esperimenti in A.thaliana con 4 linee transgeniche differenti ottenendo gli stessi risultati (Bergelson et. 1996) Un effetto “posizione” è improbabile

30  Si tratta di uno studio condotto ANCHE in campo aperto ( a differenza di quello precedente) In ambiente naturale e coltivato  Le piante non sono isolate dagli insetti impollinatori (“uncaged”) OBIETTIVO: 1.Il transgene Bt (cry1Ac) riduce l’erbivoria in piante selvatiche GM? 2.Il transgene aumenta la fecondità (produzione di semi)? 3. In serra (NO insetti) il transgene è associato a un aumento o diminuzione della fitness?

31 Incroci per progenie Bc 1 (“introgression” del transgene)  La linea transgenica CMS-PET1 ( “female parent”) ha sterilità citoplasmatica maschile (“male sterile”)  La sterilità è a eredità materna: la progenie è sterile A MENO CHE non si usi polline da piante che hanno geni nucleari in grado di ripristinare la fertilità  Le piante selvatiche hanno tali geni:sono stati usate perciò piante eterozigoti per i geni di “ripristino” (restoration genes”) Le combinazioni in F1 e Bc 1 :Bt + /male-fertile Bt + /male sterile Bt - /male fertile Bt + /male sterile NO in campo

32 PCMS-PET1 ( ♀ ) Bt + X selvatico ( ♂ ) Bt - Cry1Ac / - X Aa (ripristino fertilità) F1 Bt + : Bt - = 1 : 1 fertile:sterile = 1:1 BC 1 Bt + : Bt - = 1 : 1 fertile:sterile = 1:1 Bt + Bt - Cry1Ac A Cry1Ac a -A -a Male fertile Male sterile

33 Procedura sperimentale: 1.Introduzione del transgene nella specie selvatica (F1 e BC 1 con sterilità maschile) e sviluppo delle piante in vaso 2.Trapianto in campo (anche le piante non GM,cioè Bt + ) in 2 siti:  Campo coltivato (+ erbicidi e fertilizzanti) in Nebraska  Area non coltivata (altre erbe selvatiche) in Colorado 3.Bt + vs Bt - : stima della fecondità e dei danni da erbivoria  varie specie di lepidotteri  numero di semi/ fiore e semi/ pianta, fiori/pianta,danni allo stelo 5. Esperimenti paralleli in serra per valutare gli effetti  Del transgene (Bt + vs Bt - )  Della sterilità (usati anche Bt + /male-fertile)  Varie condizioni di stress (acqua e nutrienti)

34 Risultati Danni da erbivoria in campo e produzione semi: Transgenico vs non transgenico  I danni causati dai 3 lepidotteri sono maggiori in piante Bt –  le piante Bt + producono più fiori,più semi/fiore e più semi/pianta( + 55% Nebraska,+14% in più in Colorado,NS nel secondo caso)

35 Risultati Gli effetti del transgene in crescita in serra sono trascurabili

36 Risultati 1.In campo  La resistenza a lepidotteri è vantaggiosa in ambiente naturale,poiché tutte le piante Bt + (sempre emizigoti) subiscono danni minori rispetto alle Bt –  Necessari ulteriori studi per verificare se l’omozigosi di Cry1A rende le piante ancora più resistenti (già dimostrato in B.rapa)  La tossina Bt non ha effetti sui danni provocati da altri insetti  Le piante Bt + producono più semi di quelle Bt- in entrambi i siti 2.In serra  Il transgene Bt non ha effetti sulla produzione di semi o il numero di fiori per pianta in nessuna situazione (stress idrico, stress da nutrienti,nessuno stress,fertilità o sterilità maschile)

37  Si valuta l’effetto del transgene per l’ossalato ossidasi (OxOx, resistenza alla muffa Sclerotina sclerotium,varietà ancora non commercializzata)  Per simulare la “fuga” del gene nella specie selvatica si analizzano ancora una volta generazioni di re-incrocio (coltivate in gabbie per evitare dispersione polline)  Si ipotizza un “worst case scenario” poiché la metà delle piante ottenute da reincrocio è infettata sperimentalmente con la muffa (pressione selettiva)

38 Risultati Quantità di semi prodotta prima e dopo l’infezione: transgenico vs selvatico - infezione+ infezione Il transgene non ha effetti sulla quantità dei semi prodotti,né prima né dopo l’infezione ?

39 Il transgene riduce la frequenza dell’infezione Questo è controbilanciato dalla severità degli effetti dell’infezione Frequenza infezione Produzione semi Effetti del transgene sulla frequenza di infezione

40 Conclusioni In definitiva si hanno due casi: 1. Il gene OxOx riduce drasticamente la frequenza di infezione Gli individui sani producono molti semi quelli infetti pochi 2. Il gene OxOx NON riduce di molto la frequenza di infezione Individui sani e infetti comunque producono la stessa quantità di semi Ipotesi del “disaccoppiamento” dell’evento di infezione e dello sviluppo effettivo della malattia:i due fenomeni implicano fattori diversi Anche se limitato (un solo background genetico e nessuno stress per le piante) questo studio dimostra l’aumento della fitness degli ibridi

41 In definitiva: cosa si sa oggi sulla fitness delle specie vegetali transgeniche in ambienti naturali? 1.Non si sono ancora osservati casi di aumentata persistenza in vari habitats naturali e semi naturali,in assenza di pressione selettiva artificiale 2.Il transgene aumenta la fitness solo se interviene il fattore di selezione negativo contro cui conferisce resistenza (es:insetti) 3.L’aumento della fitness,anche se limitata a un fattore / stadio del ciclo vitale può estendere i suoi effetti (es:resistenza agli insetti aumenta produzione semi) 4.I transgeni possono diffondersi nelle popolazioni selvatiche per almeno 2 motivi:  Il background genetico degli ibridi wild X crop (F1 o generazioni successive) NON è necessariamente svantaggiato  Il trasngene anche se non è “utile”può semplicemente essere mantenuto senza “costi” (svantaggi) per le piante che lo possiedono


Scaricare ppt "Weeds get boost from GM crops ? Corso di valutazione rischio ambientale biotecnologie Andrea Bianchi."

Presentazioni simili


Annunci Google