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Presentazione realizzata da Gottardi Elisa Corso di valutazione del rischio di impatto ambientale delle biotecnologie Engineered Fish: Friend or Foe of.

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1 Presentazione realizzata da Gottardi Elisa Corso di valutazione del rischio di impatto ambientale delle biotecnologie Engineered Fish: Friend or Foe of the Environment?

2 Nel dicembre del 2000 sono scappati nella baia di Machias (USA) oltre pesci da un impianto di acquacoltura per cause accidentali. I conservazionisti hanno chiesto una moratoria sui nuovi allevamenti ittici. Altri salmoni erano scappati tra il 1987 e il 1997 da acquacolture della British Colombia, per un totale di circa mezzo milione di pesci che si erano diffusi lungo le coste occidentali degli Stati Uniti. In uno studio dell’NRC (National Resource Council) vengono citati gli impatti ambientali, in particolare di organismi mobili come i pesci, come il maggior rischio per quanto riguarda l’applicazione di biotecnologie animali, (Science, 23 Agosto, p.1257).

3 Il problema dell’impatto del fenotipo transgenico (per quanto riguarda l’ormone della crescita) ha suscitato dibattiti scientifici e pubblici sul probabile impatto ecologico dal momento che questi pesci utilizzati in acquacoltura possono facilmente essere inseriti nell’ambiente in modo accidentale. L’unico modo per essere sicuri di non incorrere in rischio di danno ambientale sarebbe allevare pesci transgenici solo in bacini appositi posti sulla terraferma e non in zone recintate di corsi d’acqua, bacini naturali o mari. Ciò implicherebbe un aumento dei costi del 40% rispetto al prelevo in natura in paesi come il Cile.

4 La domanda di pesce è in crescita e potrebbe raddoppiare per il 2040 secondo la FAO. “non sarà sufficiente il prelievo naturale e la domanda dovrà essere soddisfatta dall’acquacoltura” (James Carlberg) Per risolvere il problema è richiesta l’applicazione dell’ingegneria genetica. Molte specie sono già state modificate, alcune per la resistenza a malattie e lesioni dovute al sovraffollamento dell’ambiente di cattività, ma la maggior parte per una crescita accelerata. Il più famoso pesce transgenico è un salmone dell’atlantico con crescita accellerata creato dalla Aqua Bounty Farms Inc. (Massachusetts). Aggiungendo un gene dell’ormone della crescita di Chinook salmon con una sequenza promotore hanno ottenuto una linea transgenica che può produrre l’ormone della crescita tutto l’anno e non solo in primavera ed estate. I pesci transgenici: producono l’ormone della crescita durante tutto il tempo dell’anno e non solo in primavera ed estate hanno un periodo di crescita accellerato e raggiungono un anno prima il peso massimo non superano le dimensione massime dei nontransgenici

5 ALTRI ESEMPI DI PESCI TRANSGENICI PER L’ORMONE DELLA CRESCITA: A Cuba il biologo molecolare Mario Pablo Estrada Garcìa e colleghi del centro per l’ingegneria genetica e le biotecnologie di l’Havana hanno aggiunto un promotore virale a tilapia per incrementare l’espressione nativo che codifica l’ormone della crescita. In laboratorio il transgenico cresce il doppio del WT. Un altro gruppo capeggiato da Norman Maclean dell’Università di Southampton (UK) ha testato un tipo di tilapia con crescita accelerata in campi di prova in Ungheria. I transgenici erano tre volte più difficili da catturare dei non transgenici. Il ricercatore Zhu Zuoyan dell’Istituto di Idrobiologia dell’Accademia Cinese delle Scienze ha lavorato con carpe del fiume giallo transgeniche per l’ormone della crescita, le prove sul campo hanno dimostrato che la prima generazione ha una crescita più veloce del 42% rispetto alla carpa non transgenica.

6 CARATTERISTICHE DEI TRANSGENICI: Gli individui modificati per l’ormone della crescita crescono 6 volte più in fretta dei nontransgenici perché il tasso di crescita è del 20% in più come efficienza di conversione del cibo in massa corporea. Questi pesci crescono più velocemente con lo stesso quantitativo di cibo per cui rappresentano un grosso vantaggio economico per gli allevatori. Ma cosa può succedere se questi individui transgenici scappano e colonizzano l’ambiente naturale?

7 Si pensa che i pesci transgenici attraverso il loro comportamento e metabolismo alterato possono influenzare negativamente le popolazioni naturali: crescono molto più velocemente dei selvatici e raggiungono prima la maturità sessuale (causando un possibile aumento in frequenza del genotipo mutato nel pool genico) manifestano una forte aggressività assumono un ruolo dominante dovuto alle maggiori dimensioni incrementano i tempi di inattività dei selvatici cambiano le dimensioni del territorio alterano il rischio di predazione modificano il tempo e l’estensione dell’emigrazione per la ricerca di un habitat più favorevole

8 In natura la disponibilità di cibo è influenzata a breve termine dalla successione stagionale e a lungo termine dai cambiamenti di produttività dell’ecosistema. Non tutti gli animali in una popolazione hanno ugual successo nell’accedere alle risorse di cibo, soprattutto in situazione di alta densità di individui e/o scarsa disponibilità di cibo. In natura i pesci con le dimensioni maggiori sono i dominanti e relegano i subordinati nelle zone più profonde del corso d’acqua dove l’habitat è meno favorevole. Per i predatori acquatici in natura la fitness e la sopravvivenza e di conseguenza l’invasività di un genotipo dipendono in buona parte dalla capacità di competere per la disponibilità di cibo.

9 Si può ipotizzare che la presenza di individui transgenici possa influenzare negativamente la popolazione dei non transgenici soprattutto nel caso in cui la disponibilità di cibo e spazio sia bassa. Si innesca una situazione competitiva riguardo la difesa territoriale e la conquista e detenzione delle zone di maggior concentrazione di cibo. I transgenici sarebbero facilitati nella competizione per il reperimento del cibo assumendo un ruolo dominante nella popolazione con rischio di portare all’estinzione la popolazione naturale.

10 PUNTO DI VISTA DEGLI ACQUACOLTORI Le popolazioni transgeniche vista la loro alta resa possono soddisfare i bisogni del mercato permettendo una riduzione notevole del prelievo in natura e quindi la possibilità di tutelare le popolazioni selvatiche “favorendo il mantenimento della biodiversità”(secondo Gross). L’incremento in produttività dei transgenici potrebbe soddisfare la richiesta di cibo in molti parti del mondo.

11 Per ovviare al problema del rischio ambientale l’Aqua Bounty ha suggerito al FDA che: le uova per la produzione di individui fertili dovrebbero essere mantenute in vasche protette sulla terraferma gli individui sterili potrebbero essere allevati in mare La sterilizzazione delle uova avviene attraverso un processo che aggiunge un set extra di cromosomi con una riuscita del 100%

12 Per quanto riguarda la proposta della Aqua Baunty gli scienziati sono preoccupati perché finora la sterilizzazione è stata effettuata solo su qualche centinaio di uova da persone esperte. Se la tecnica fosse diffusamente utilizzata dagli allevatori qualche uovo potrebbe essere non sterilizzato e produrre femmine fertili a causa dell’inefficienza dell’operatore o di scarsa attenzione e conoscenza. La sterilità dei transgenici è sufficiente a garantire la sopravvivenza e la prosperità dei selvatici? PUNTO DI VISTA DEGLI SCIENZIATI Sono sempre necessari studi sui potenziali rischi ambientali degli organismi geneticamente modificati che richiedono la valutazione: -della loro fitness -della loro invasività relativa ai conspecifici -della loro invasività rispetto agli altri organismi che fanno parte dell’ecosistema

13 Nel caso dell’ormone transgenico della crescita non vengono realizzati esperimenti in natura perché questi animali e la loro progenie possono avere un impatto dannoso sulla specie indigena e sull’ecosistema. Generalmente la sperimentazione è effettuata in laboratorio e bacini appositi racchiusi e isolati. Alcuni scienziati hanno adottato un approccio diretto studiando in laboratorio le interazioni e i comportamenti dei diversi fenotipi rapportati all’ambiente naturale mentre altri hanno mantenuto un approccio più teorico cercando di prevedere i possibili impatti attraverso modelli matematici La probabilità di estinzione della popolazione in natura dipende: dalla disponibilità di cibo dell’ambiente dalla proporzione di individui transgenici nella popolazione, dalle dimensioni totali della popolazione, dalla complessità dell’habitat e dal rischio di predazione ed è più frequente in piccole popolazioni che hanno scarsa possibilità di dispersione verso un altro habitat favorevole

14 Population effects of growth hormone transgenic coho salmon depend on food availability and genotype by environment interactions. Robert H., Mark D’Andrade, Mitchell Uh and Carlo A. Biagi PNAS (2004)Vol.101 pp

15 Lo studio preso in esame si occupa di organismi transgenici di coho salmon (Oncorhynchus kisutch). Gli organismi portatori dell’ormone transgenico della crescita (GH) manifestano: incremento del comportamento di feeding aumento del tasso di crescita corporeo con un netto incremento (> 7 volte) come dimensioni rispetto agli individui wild tipe. Si ha dunque: una riduzione del ciclo vitale assunzione di un ruolo dominante riduzione del periodo in cui le dimensioni corporee determinano rischio di predazione

16 Tuttavia il “growth hormone” transgenico conferisce anche delle caratteristiche negative ai portatori: sono più esposti al rischio di predazione durante la ricerca di cibo (che è prolungata) hanno anormalità morfologiche manifestano una soppressione delle funzioni immunitarie Probabilmente a causa di questi fattori selettivamente negativi il tasso di crescita della specie in natura è stato limitato e si è stabilizzato sugli attuali valori. Si sà che i salmoni (GH) transgenici manifestano un incremento del consumo delle risorse di cibo ma non si sa se semplicemente crescono maggiormente in relazione alla disponibilità di cibo elevata o se possiedono un metabolismo elevato e un comportamento tale da necessitare obbligatoriamente di un elevato apporto di cibo.

17 Obiettivi della ricerca: confrontare la crescita e la sopravvivenza degli avannotti transgenici, non transgenici e di popolazioni miste studiare l’interazione di competitività tra individui transgenici e non studiare il modo in cui le condizioni ambientali (disponibilità di cibo) possono influire sulla fitness

18 Materiali e metodi: Popolazioni sperimentali: Sono state utilizzate 3 tipi di popolazioni ciascuna con 50 individui: -TT : 100% transgenic salmon -NN : 100% nontransgenic salmon -TN : eguale proporzione dei due genotipi (popolazione mista con 50% transgenici e 50% WT) Sono stati utilizzati in totale 900 salmoni. Ogni gruppo conteneva 25 pesci e i due gruppi di ciascuna popolazione erano marcati differentemente dal taglio della pinna per una conseguente identificazione non letale, (non si è registrato nessun effetto statisticamente significativo del taglio della pinna sulla crescita o sopravvivenza degli individui appartenenti ai gruppi sperimentali).

19 Gli individui transgenici erano eterozigoti ottenuti dall’incrocio di maschi omozigoti transgenici (GH) contenenti il gene mutato OnMTGH1 con uova provenienti dalle stesse femmine usate per produrre gli individui WT. Gli individui utilizzati per la sperimentazione sono stati estratti casualmente (random) da queste popolazioni ottenute in laboratorio. L’unica differenza genetica tra i due ceppi era la presenza o assenza del GH transgenico. Il genotipo transgenico della popolazione transgenica veniva confermato da PCR utilizzando un primer specifico per il transgene. Gli individui WT di coho salmon (Oncorhynchus kisutch) utilizzati nell’esperimento derivano da 10 singole coppie di fertilizzazioni di uova e sperma ottenuti da individui adulti provenienti dal Chehalis River della British Columbia (lo stesso corso d’acqua dal quale erano stati prelevati gli esemplari da i quali è stato ricavato il genotipo transgenico).

20 Ambienti sperimentali: Il cibo veniva somministrato ai pesci tre volte al giorno e consisteva in una dieta commerciale per salmoni (NutriFry, Skretting, Vancouver). -b : N-satiating levels (sufficiente per saziare la popolazione non trangenica pura) La popolazione riceveva cibo sufficiente a saziare solo la popolazione non transgenica pura Per determinare il raggiungimento del livello di sazietà dei nontransgenici si osservava il comportamento dei pesci assunto in relazione ad un’offerta di cibo. La sazietà era considerata completa alla cessazione del comportamento di feeding e quando il cibo in surplus si depositava sul fondo. -a : high levels (eccede i requisiti per il sostentamento dei non transgenici) Ogni popolazione riceveva una dose giornaliera di cibo pari al 7,5% del peso corporeo totale dei peci dell’intera popolazione. -c : low levels (sotto i requisiti per supportare complessivamente la popolazione) Ogni popolazione riceveva una dose giornaliera di cibo peri allo 0,75% del peso corporeo totale della popolazione. Ognuna delle tre strutture di popolazione è stata replicata due volte per ciascuna delle tre condizioni di disponibilità di cibo dell’ambiente sperimentale.

21 Raccolta ed elaborazione dei dati: Il peso e la lunghezza degli individui sono stati misurati inizialmente prima del primo feeding stage (il tempo in cui le riserve del tuorlo sono appena state consumate). La crescita e la sopravvivenza sono state esaminate in ogni popolazione alla IV settimana seguite da misurazioni bisettimanali fino alla XIV settimana. Tasso specifico di crescita ( la percentuale di crescita giornaliera) SGR =(lnW2-lnW1)/intervallo di crescita (giorni)x100.

22 RISULTATI: High nutrient levelN-satiating nutrient levelLow nutrient level Nei grafici sono riportati i pesi medi e l’errore standard. Le diverse lettere nel grafico indicano medie statisticamente diverse delle differenze in crescita dei diversi gruppi. Fig 1 DIFFERENZE DI CRESCITA

23 HIGH NUTIENT LEVEL: Nel grafico (fig.1a) la popolazione pura di salmoni GH transgenici cresce molto più rapidamente di quella nontransgenica di controllo con un tasso di crescita maggiore di 1.78 volte e di 7.7 volte di incremento di massa nel corso dell’esperimento. La crescita dei pesci transgenici nella popolazione mista era ancora maggiore con una massa di 11.6 volte. (In questo caso i dominanti assumono ruolo dominante essendo più aggressivi assicurandosi una < quantità di cibo per individuo.) Comunque la popolazione transgenica non interferisce con la crescita dei nontransgenici nell’ambiente con surplus di cibo. N-SATIATING NUTRIENT LEVEL: La popolazione pura non transgenica non cresce più lentamente (Fig.1b) rispetto al livello alto di cibo indicando che il loro appetito è completamente soddisfatto. Allo stesso modo la popolazione transgenica che riceve lo stesso quantitativo di cibo non manifesta una crescita fortemente maggiore rispetto i WT (Fig. 1b). Tuttavia nella popolazione mista i transgenici ottengono pesi maggiori dei WT, che dimostrerebbe la miglior efficacia competitiva dei transgenici nell’accaparrarsi le risorse alimentari. LOW NUTRIENT LEVEL: Con scarsa disponibilità di cibo (Fig. 1c), il tasso di crescita è ridotto in una media di 2,99 volte rispetto a quanto osservato in condizione N-satiating. Alla X settimana si registra un notevole incremento di crescita dei transgenici nella popolazione mista, questo è dovuto soprattutto alla sopravvivenza dei transgenici e l’alta mortalità dei WT in questa situazione.

24 Fig 2 ANDAMENTO ALLA XIV SETTIMANA In condizione di grande disponibilità di cibo o in N-satiating: tutti i gruppi sopravvivono egualmente bene (media 96.8%), indipendentemente dal genotipo o dal tipo di popolazione (Fig. 2 a and b). Nell’ambiente con scarsa disponibilità di cibo: si crea una forte competizione e si osservano grandi differenze tra diversi genotipi e diverse strutture di popolazione. La sopravvivenza dei non transgenici della popolazione NN in low-level non è diversa nei diversi gruppi e non è significativamente ridotta rispetto agli individui NN della condizione a e b in tre dei quattro gruppi (Fig. 2c). Al contrario tutti i gruppi contenenti salmoni transgenici (TT e NT) in low-level sperimentano un drastico calo o completa estinzione alla XIV settimana e la sopravvivenza è significativamente ridotta (P <0.002 in tutti i casi) rispetto a tutti i non transgenici e tutti gli altri gruppi in high-level o N-satiating. High nutrient levelN-satiation nutrient levelLow nutrient level

25 PESI NELLA POPOLAZIONE MISTA In condizione high-ration: per tutto il corso dell’esperimento emerge una distribuzione bimodale delle classi di peso divise per genotipo (Fig. 3a). In condizione low-ration: c’è una numerosa presenza di avannotti transgenici molto aggressivi che dominano la popolazione (Fig. 3c). Di 224 morti in questo tipo di ambiente 197 sembravano morti per ferite dovute all’attacco degli altri pesci o per malnutrizione Fig 3 High level N-satiating level Low level

26 CANNIBALISMO IN LOW LEVEL È stato osservato che i pesci transgenici dominanti hanno cannibalizzato 11 pesci del gruppo e altri 16 pesci non recuperati potrebbero essere stati anch’essi cannibalizzati (o altrimenti sono stati mangiati dopo la loro morte). Il cannibalismo è stato osservato anche tra i transgenici (sempre in low-level), una volta eliminati i non transgenici.

27 La biomassa di tutte le popolazioni in high-level e N-satiating level e la cura di crescita dimostrano l’alta sopravvivenza in questi gruppi, mentre i dati relativi alla biomassa in low-level dimostrano un generale declino delle popolazioni contenenti individui transgenici. Le popolazioni TT continuano ad incrementare la biomassa o comunque a mantenerla intorno a valori alti intorno al limite della disponibilità di cibo (capacità portante), (Fig. 4). BIOMASSA IN LOW LEVEL Fig 4

28 CONCLUSIONI: In condizioni favorevoli di buona disponibilità di cibo i genotipi non transgenici sembrano avere la stessa sopravvivenza dei nontransgenici. Tuttavia il maggior tasso di cescita potrebbe favorire la diffusione del genotipo transgenico nel pool genico perché questi individui raggiungono prima la maturità sessuale Ma in natura solitamente non si ha un ambiente con abbondanza costante di cibo, ma ci saranno dei periodi di scarsità di risorse dovuti a fenomeni naturali ciclici Gli effetti dell’ormone transgenico della crescita sono mediati da un’interazione tra disponibilità di cibo e struttura della popolazione.

29 Possiamo quindi non considerare i dati relativi a high e N-satiating level ma spostare l’attenzione su cosa accade in low level I salmoni transgenici consumano più velocemente dei nontransgenici le riserve energetiche nell’ambiente in carenza di cibo e sono quindi meno in grado di superare periodi avversi con una conseguente diminuzione della fitness rispetto ai selvatici. In condizione di carenza di cibo si ha la dominanza degli individui transgenici che manifestano un forte comportamento aggressivo nei confronti dei subordinati nontransgenici fino al cannibalismo. Ma “consumati” gli altri pesci la popolazione transgenica và comunque ad estinzione per mancanza di cibo

30 Per specie (come quella dei salmoni) che sono inserite in un complesso ecosistema occorre una particolare attenzione nel trasmettere ed utilizzare i dati relativi a singoli studi. Dallo studio eseguito si è effettivamente osservato che quando la disponibilità di cibo è scarsa: La popolazione che contiene individui transgenici e non transgenici subisce un crollo o una completa estinzione (alla XIVsettimana) La popolazione composta solo da individui transgenici sopravvive e la biomassa continua ad incrementare

31 SI PUO’ QUINDI DIRE CHE QUESTA POPOLAZIONE TRANSGENICA NON E’ A RISCHIO DI CAUSARE UN DANNO AMBIENTALE? LA POPOLAZIONE TRANSGENICA SI ESTINGUE IN AMBIENTE NATURALE PORTA AD ESTINZIONE DELLA POPOLAZIONE NATURALE

32 DOMANDE e SPUNTI DI RIFLESSIONE: Una popolazione transgenica è sempre favorita rispetto alla naturale? Si riesce a determinare esattamente se la popolazione transgenica causerebbe un danno ambientale in ambiente naturale? In che modo la disponibilità di cibo influisce sulla fitness di individui transgenici per l’ormone della crescita e non ? In quali casi si può ipotizzare che la popolazione di salmoni dell’esperimento possa causare un danno effettivo sulla popolazione e in quali casi no? (dimensione della popolazione rispetto alla frequenza del genotipo transgenico, ambiente isolato o non……) Studi fatti in laboratorio possono rappresentare veramente bene la realtà? Perchè tra i transgenici e i non transgenici non ci sono differenze significative di crescita in high level e N- satiating level ? Perché il genotipo transgenico non mostra differenze di crescita tra high nutrient level e N-satiating?

33 BIBLIOGRAFIA: Devlin R. H., D’andrade M., Uh M. e Biagi C. A., (2004),“Population effects of growth hormone transgenic coho salmon depend on food availability and genotype by environment interactions” PNAS (June 22, 2004) vol. 101 n°25, 9303–9308 Stokstad, E. (2002), “Engineered Fish: Friend or Foe of the Environment?”, Science n°297, 1797–1799.


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