Biotecnologie vegetali: benefici e rischi per l’ambiente

Presentazione sul tema: "Biotecnologie vegetali: benefici e rischi per l’ambiente"— Transcript della presentazione:

1 Biotecnologie vegetali: benefici e rischi per l’ambiente

2 Dalla preistoria alle biotecnologie vegetali
anni fa: l’uomo impara a coltivare le piante di interesse: nasce l’agricoltura. Subito dopo: inizia a selezionare le piante migliori e a propagarle per seme. XIX secolo: inizia, con MENDEL il miglioramento genetico su basi scientifico (incroci tra organismi sessualmente compatibili e selezione di mutanti). 1953: Watson e Crick dimostrano che i geni di Mendel sono scritti nel DNA. L’alfabeto genetico è a 4 lettere. Nei successivi 30 anni impariamo a tagliare, cucire e trasferire geni da un organismo ad un altro. 1983: si dimostra che si possono introdurre geni di altri organismi nelle piante (tabacco). 1992. Prime coltivazioni commerciali di piante transgeniche .

3 Mezzi tradizionali: Una recente aggiunta:
Quali mezzi abbiamo oggi per il miglioramento delle piante coltivate INCROCIO (Nuove varietà, ibridi F1) Mezzi tradizionali: MUTAZIONE (Spontanea o indotta da agenti chimici o radiazioni) Una recente aggiunta: INGEGNERIA GENETICA (trasferisce geni esogeni superando le barriere sessuali)

4 PRIMA delle BIOTECNOLOGIE OGGI CON LE BIOTECNOLOGIE
SI POTEVANO TRASFERIRE GENI SOLO TRA INDIVIDUI SESSUALMENTE COMPATIBILI. OGGI CON LE BIOTECNOLOGIE SI TRASFERISCONO GENI DI QUALSIASI ORIGINE (PIANTA, ANIMALE, BATTERIO, VIRUS)

5 Il trasferimento di geni nelle piante
Quali le metodologie attuali? Identificazione ed isolamento del gene di interesse; Preparazione del “vettore di trasferimento”: generalmente si tratta di un plasmide contenente il gene di interesse con gli opportuni segnali di espressione. Inserimento del plasmide nel batterio Escherichia coli per la sua amplificazione. Trasferimento alla cellula vegetale (con Particle gun, con Agrobacterium tumefaciens, ecc.); Selezione della cellula transgenica e rigenerazione della pianta.

6 Vediamolo schematicamente

7 Metodi a confronto

8 Geni coinvolti nello sfruttamento di risorse energetiche alternative
Non sempre A.tumefaciens riesce a svolgere il suo compito con successo; così come non sempre il DNA “sparato” raggiunge il bersaglio in modo corretto. Resistenza ad antibiotici (ampicillina; kanamicina) GENI MARCATORI Produzione di molecole facilmente rilevabili tramite reazioni enzimatiche o colorazioni (GUS; GFP) Geni coinvolti nello sfruttamento di risorse energetiche alternative COME CAPIRE SE UNA PIANTA E’ STATA TRASFORMATA?

9 Proteina GFP (green fluorescent protein)
Resistenza ad antibiotici Attività enzimatica normalmente non presente nella pianta di partenza: Gene GUS da E.coli. In presenza di 5-bromo-4-chloro-3-indolyl glucuronide (X-Gluc) il tessuto in cui è prente l’enzima si colora di blu. Aequorea victoria Fluorescenza naturale di alcune proteine Proteina GFP (green fluorescent protein) Proteina presente in una medusa chiamata Aequorea victoria che fluoresce quando illuminata con radiazione U.V. o blu

10 Induzione di embriogenesi somatica
………SEMBRA FACILE…….. fiore Calli embriogenici Induzione di embriogenesi somatica A 1-2 anni B Trasformazione BIOLISTICA o tramite A. tumefaciens delle colture embriogeniche; Selezione dei trasformati; Rigenerazione delle plantule 1-2 anni C Conferma della trasformazione (PCR, analisi Southern e Northern); Verifica della stabilità dell’espressione e del fenotipo Sperimentazione in serra Sperimentazione in campo 5-8 anni Fonte: TRENDS in BIOTHECNOLOGY

11 Tipologie di piante transgeniche
Piante con resistenza a stress biotici (insetti, funghi, batteri, virus, erbe infestanti) e abiotici (siccità, salinità, gelo) Piante per cibo Industria tessile Piante da frutto Piante forestali (mais, soia, pomodoro) (cotone) (vite, castagno, melo) (pioppo, conifere) Piante con alto valore nutrizionale Cibo arricchito di vitamine, ferro, ecc. Cibo arricchito di amminoacidi (metionina, cisteina, lisina)

12 Piante come “plant factories”
Per l’industria chimica (carburanti, plastiche) Per l’industria farmaceutica (produzione di farmaci) Per la produzione di vaccini (in patata, banana, pomodoro) Per la produzione di anticorpi contro i tumori Piante come bioindicatori/ biodepuratori

13 Problemi delle piante transgeniche per l’ambiente
INQUINAMENTO AMBIENTALE: (Diffusione di semi, frutti, piante transgeniche nell’ambiente) TRASFERIMENTO TRANSGENE: (Trasferimento di geni di resistenza, ecc in specie sessualmente compatibili)

14 Problemi delle piante transgeniche per l’ambiente
TOSSICITA’ PER ORGANISMI DIVERSI DAL BERSAGLIO –ALTERAZIONE DELL’EQUILIBRIO DEGLI ECOSISTEMI (si riferisce a quelle piante che sono state trasformate per essere resistenti agli attacchi di insetti, funghi, batteri patogeni) TRASFERIMENTO TRANSGENE AI MICROORGANISMI DEL SUOLO.

15 TUTTAVIA BISOGNA DISTINGUERE DA SPECIE A SPECIE!!!
INQUINAMENTO AMBIENTALE – DIFFUSIONE DEL TRANSGENE E’ un problema reale e complesso! Una pianta transgenica produrrà, semi, frutti e polline transgenico. Questi sono tutti elementi che hanno il ruolo di diffondere la specie pertanto possono raggiungere anche distanze notevoli. Non è semplice contenere la diffusione di questi elementi… TUTTAVIA BISOGNA DISTINGUERE DA SPECIE A SPECIE!!! LE PIANTE COLTIVATE SPESSO NON SONO PIÙ SESSUALMENETE COMPATIBILI CON I LORO PROGENITORI SELVATICI!!!

16 TUTTAVIA IL POLLINE D MAIS TRANSGENICO POTREBBE RAGGIUNGERE E FECONDARE COLTURE DI MAIS NON TRANSGENICO!! Uno studio americano del 2004 ha dimostrato che a 10 metri di distanza la percentuale di semi di mais GM ottenuta nel campo di mais tradizionale è al di sotto della sogli dell’1% A 20 metri di distanza la percentuale è prossima allo 0. L’esperimento è stato ripetuto con diverse varietà di mais in differenti luoghi per più anni. I dati sono stati confermati. Sono stati svolti studi in serra ed in campo per definire la distanza minima tra due campi di mais per garantire l’esclusione di flusso genico (polline e semi).

17 PERCHÉ È SUFFICIENTE UNA DISTANZA COSÌ RIDOTTA?
La dispersione del polline delle Poaceae (Graminaceae) è primariamente anemogama (viene diffuso attraverso il vento). Tuttavia il polline del mais coltivato è piuttosto pesante e sebbene sia in grado di “volare” la distanza media percorsa è di pochi metri. Sperimentazioni svolte sia in Canada che in Messico hanno mostrato che generalmente il polline ricadeva entro 5 m dal margine del campo e in media il 90% del polline è stato raccolto all’interno del campo stesso. A ciò va aggiunto che: il polline di mais rimane vitale in condizioni normali da 24 ore ad alcuni giorni. Questa vitalità può essere ridotta a poche ore in caso di caldo di assenza di acqua e in genere di condizioni ambientali sfavorevoli.

18 Abud S, de Souza IM, Moreira CT, Andrade SRM, Ulbrich AV, Vianna GR, Rech L, Aragao FJL
Gene flow in transgenic soybean in the Cerrado region, Brazil Non-transgenic soybean plants were cultivated surrounding transgenic soybean plants. Pollen dispersal was evaluated by the presence of both dominant genes in the progenies of non-transgenic plants. The highest amount of transgenic pollen dissemination was observed in the first row, 0.5 m distant from the central plot (44%) The frequency of pollen dispersion has drastically decreased in the row 2, reaching zero by the row 13, which was 6.5 m distant from the central plot. La soia, che domina quantitativamente le colture transgeniche mondiali (54.4% del totale nel 2004, secondo l’ISAA), ha un rischio di inquinamento di polline modesto.

19 La colza ha invece una probabilità di scambio genetico maggiore rispetto alla soia o al mais!
Per la colza bisogna avere quindi accorgimenti maggiori! In ogni caso la condizione necessaria per avere un flusso da una pianta transgenica ad una non transgenico, o spontanea è che esse siano sessualmente compatibile. E’ ovviamente necessario che nell’area di interesse vi siano piante spontanee parenti delle coltivate! Non sempre questo si realizza!!

20 Vi sono studi scientifici che hanno mostrato un trasferimento genetico delle resistenze da cultivar transgeniche a specie spontanee… un esempio è “l’erba dei campi da golf!” Establishment of transgenic herbicide-resistant creeping bentgrass (Agrostis stolonifera L.) in nonagronomic habitats Reichman J.R. et al  MOLECULAR ECOLOGY 15: …We present here in the first evidence for escape of transgenes into wild plant populations within the USA; glyphosate-resistant creeping bentgrass (Agrostis stolonifera L.) plants expressing CP4 EPSPS transgenes were found outside of cultivation area in central Oregon. Selective pressure from direct application or drift of glyphosate herbicide could enhance introgression of CP4 EPSPS transgenes and additional establishment.

21 Certo, produrre piante maschio sterili!
C’è un approccio per evitare anche il minimo rischio di diffusione di polline transgenico? Certo, produrre piante maschio sterili! The PsEND1 promoter: a novel tool to produce genetically engineered male-sterile plants by early anther ablation. Roque E, Gomez MD, Ellul P, Wallbraun M, Madueno F, Beltran JP, Canas LA PsEND1 is a pea anther-specific gene that displays very early expression in the anther primordium cells. We fused the PsEND1 promoter region to the cytotoxic barnase gene to produce male-sterile plants. Expression of the chimaeric PsEND1::barnase gene in two Solanaceae (Nicotiana tabacum and Solanum lycopersicon) and two Brassicaceae (Arabidopsis thaliana and Brassica napus) results in male-sterile plants. This strategy represents an excellent approaches to generate genetically engineered male-sterile plants.

22 Una seconda soluzione è quella di trasformare geneticamente gli organelli: i cloroplasti!
I cloroplasti per esempio nella maggior parte delle Angiosperme sono trasmessi per via materna pertanto non sono presenti nel polline! Molecular strategies for gene containment in transgenic crops Daniel H NATURE BIOTECHNOLOGY 20: The potential of genetically modified (GM) crops to transfer foreign genes through pollen to related plant species has been cited as an environmental concern. Until more is known concerning the environmental impact of novel genes on indigenous crops and weeds, practical and regulatory considerations will likely require the adoption of gene-containment approaches for future generations of GM crops. Most molecular approaches with potential for controlling gene flow among crops and weeds have thus far focused on maternal inheritance, male sterility, and seed sterility.

23 TRASFERIMENTO TRANSGENE AI MICROORGANISMI DEL SUOLO.
Le altre perplessità sono: TRASFERIMENTO TRANSGENE AI MICROORGANISMI DEL SUOLO. Sino ad oggi non sono mai stati evidenziati casi di trasferimento orizzontale di transgeni… Del resto perché dovrebbe passare necessariamente il transgene dalla pianta ad un microorganismo e non un altro qualsiasi dei geni della pianta! Forse questa è un po’ speculazione? Tuttavia la comunità scientifica si è mobilitata e ha dato delle risposte! The gene transfer from glyphosate tolerant soybean to Bradyrhizobium japonicum was evaluated under natural conditions and increasing selection pressure, to monitor for the probability of horizontal gene transfer (HGT)... … in bacteroids that were isolated from nodules and then cultivated for several rounds in the presence of high levels of glyphosate, the EPSPS gene could no be detected. This indicates no stable HGT transfer of the whole EPSPS gene under field conditions. The Probability of a Horizontal Gene Transfer from Roundup Ready registered Soybean to Root Symbiotic Bacteria: A Risk Assessment Study on the GSF Lysimeter Station Wagner et al., Water, Air, & Soil Pollution: 8 (2):

24 ALTERAZIONE DEGLI ECOSISTEMI
Questo è un problema serie con molte variabili. Ci si chiede quanto coltivare una pianta con un gene di resistenza verso un parassita possa stravolgere gli equilibri dell’ecosistema stesso? Quanto questo transgene agisce su target non specifici? Sono necessari studi approfonditi per comprendere qual è il reale pericolo… Bisogna tuttavia ricordare che un campo coltivato non è un ambiente spontaneo e che quindi le condizioni ambientali sono già di per se alterate! Environmental risk assessment of genetically modified chrysanthemums containing a modified cry1Ab gene from Bacillus thuringiensis Shinoyama, Harue; Mochizuki, Atsushi; Nomura, Yukio; Kamada, Hiroshi Plant Biotechnology 25:

25 LA CRY 1aAb è una modifica della tossina Bt sviluppata attraverso tecniche di DNA ricombinante (Shinoyama et al. 2003). Insect-resistant transgenic chrysanthemum plants expressing a modified cry1Ab gene of Bacillus thuringiensis were produced, and an environmental risk assessment of these plants was undertaken in preparation for release their into the field. These plants were examined for molecular profiles, morphological and growth characteristics, cross compatibility, production of allelopathic substances, and influence on soil microbes. The results showed that the insect-resistance trait of the GM chrysanthemum plants is stably integrated in the nuclear genome, and the expression of the mcbt gene did not cause significant differences in the morphological characteristics, the production of allelopathic substances, or the effect on soil microorganisms compared to non-GM chrysanthemums. However, because these plants have cross- compatibility with wild related species, they will be forbidden to be cultured in the open field...

26 BIOTECNOLOGIE PER L’AMBIENTE
Piante come bioindicatori/ biodepuratori Le piante sono buoni boindicatori ed essendo alla base della catena trofica forniscono indicazioni importanti sulla qualità ambientale. Negli anni sono stati individuate molte specie sensibili ai diversi inquinanti adatti a fornire un indicazione qualitativa/ quantitativa di specifici ambienti. Le biotecnologie hanno permesso talvolta di migliorare i bioindicatori. Alcuni sono stati resi più sensibili, più specifici o addirittura si sono trovati sistemi per evidenziare le risposte dei bioindicatori in modo rapido senza bisogno di sofisticate analisi di laboratorio.

27 PIANTE TRANSGENICHE PER OPERE DI BONIFICA
Sono state create piante transgeniche sensibili al biossido di azoto che viene rilasciato dalle mine nel suolo. In presenza di tale sostanza le foglie cambiano colore da verde a rosso. Si potrebbero usare queste piante per bonificare numerose aree del mondo in cui vi sono mine antiuomo.

28 Piante transgeniche per la fitodepurazione dei suoli
Piante transgeniche per la fitodepurazione dei suoli. Un esempio sono le numerose strategie adottate per ripulire i terreni da inquinamento dovuto a metalli pesanti. I processi che influenzano l’accumulo di metalli in piante sono: -Mobilizzazione ed assorbimento del metallo. -Compartimentazione e sequestro all'interno della radice. -Meccanismi di trasporto (xilema) al fine di trasferirlo nelle porzioni aeree. Tutti questi sono possibili punti da sfruttare per creare piante capaci di detossificare. Sono stati eseguiti numerosi lavori atti a comprendere quali geni sono i responsabili dei diversi porcessi metabolici legati al metabolismo dei metalli. Molti dei geni attivati dalla presenza di metalli sono stati studiati ed utilizzati per produrre piante transgeniche al fine di valutare il loro ruolo come biodepuratori.

29 Le piante si proteggono dai metalli pesanti sequestrandoli mediante il legame con peptidi specifici denominati fitochelatine e il loro precursore è noto come glutatione. Al fine di aumentare questa attività di tolleranza sono state prodotte piante transgeniche capaci di over-esprimere il gene gshII per la sintesi del glutatione. La pianta usata è stata la senape indiana (Brassica juncea). Le analisi hanno evidenziato che le piante GM erano capaci di tollerare e accumulare il cadmio molto di più delle piante WT (circa 3 volte)

30 Tra i i fattori più interessanti per l’ingegneria genetica applicata all’ambiente è stata la scoperta di una piccola proteina di membrana ricca in cisteina chiamata AtPcrs. Studi di biochimica hanno mostrato che la zona conservata ricca in cisteina sembra avere un ruolo cruciale nel legame con il metallo. Piante transgeniche di Arabidopsis in cui tale proteina è stata overespressa hanno mostrato una notevole capacità di tollere il Cadmio.

31 Generation of mercury-hyperaccumulating plants through transgenic expression of the bacterial mercury membrane transport protein MerC. Sasaki et al., 2006 TRANSGENIC RESEARCH 15: The merC gene from facteria functions as a mercury uptake pump. MerC protein localizes in the cytoplasmic membrane of plant cells. When Arabidopsis thaliana and tobacco plants were transformed with the merC.. … rendered the host plants hypersensitive to Hg2+ and they accumulated approximately twice as much Hg2+ ion as the wild type plants. Thus, bacterial mercuric ion transporters such as MerC may be useful molecular tools for producing transgenic plants that hyperaccumulate Hg2+ ion

32 SI POSSONO COMBINAR ANCHE PIU GENI
Dhankher, O.P. et al Engineering tolerance and hyperaccumulation of arsenic in plants by combining arsenate reductase and gamma-glutamylcysteine synthetase expression. Nature Biotechnology                                                        Engineered Arabidopsis plants

33 Conclusioni Le piante transgeniche forniscono un’opportunità importante per l’ambiente. E’ tuttavia necessario valutare i rapporti rischi/benefici. Questo sempre!! Per qualsiasi tipo di agricoltura. Uno scienziato dell’ambiente ha le potenzialità e le competenze per eseguire questi controlli. Dovremmo non farci influenzare da giornali e TV che polemizzano sulle piante GM. Non esiste un “a favore ..o contro”. Bisogna saper valutare! Agricoltura tradizionale, agricoltura biologica e piante GM non sono in contrapposizione, ma complementari.