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

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Presentazione sul tema: "La lunga marcia delle modificazioni genetiche - dal neolitico ad oggi Piero Morandini Dipartimento di Bioscienze Università di Milano."— 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 raccolta di cereali per produrre farina è molto più antica. Lagricoltura inizia quando parte del seme viene trattenuto per la semina Cereali selvatici nella mezzaluna fertile Cereali coltivati nella mezzaluna fertile La selezione operata dalluomo

4 La selezione fatta dalluomo che effetti ha sulla pianta? Avena selvatica Avena coltivata

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 NipponbareKasalath Nipponbare:...ACATTTCATGA... Kasalath:...ACATTGCATGA... 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

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

8 Frumento selvatico - coltivato

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

10 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 I geni della dispersione variano da specie a specie

11 Varietà diverse di frumento tenero con diversi alleli nanizzanti semi-nano Rht-B1b semi-nano Rht-D1b Rht-B1aAGEGEEVDELLAALGYKVRASDMADVAQKLEQLE… Rht-B1bAGEGEEVDELLAALGYKVRASDMADVAQKLE* Rht-D1bAGEGEEVDELLAALGYKVRASDMADVAQKL* parte della proteina interessata dalla mutazione Immagine da Peng et al. (1999) "Green revolution" genes encode mutant gibberellin response modulators. Nature 400: 256–261.

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

13 Dimensioni del frutto e della parte commestibile sono due caratteri evidenti che distinguono una pianta domesticata dalla sua controparte selvatica

14 Pomodoro selvatico / pomodoro moderno Tomato photo by Bruce Thomas, UC Davis Per migliaia di anni luomo 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

15 Dormienza -… Un meccanismo che previene la germinazione di un seme in tempi inappropriati (Vivrette, Seed Technologist Training Manual, Chap. 9) - …lassenza 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 avoids germination at the wrong place distribution of germination in time, minimizes effects of unfavorable event favors spatial dispersion A survival mechanism favoring propagation and dissemination of plant populations 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) …but, in agriculture it is mostly a problem 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 dIvrea Tasso di sopravvivenza spontanea: 1/

21 Riso crodo Riso coltivato * Un grosso problema nelle zone a semina diretta * Riso crodo e coltivato sensibili agli stessi erbicidi

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

23 Pianta coltivata = pianta naturale? Accumulo di mutazioni dannose per la pianta, ma favorevoli alluomo (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 lambiente 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 I a conclusione: le piante coltivate sono deboli (hanno seri problemi di sopravvivenza in natura)

27 Se le piante coltivate fossero naturali... Passaggio spontaneo Passaggio che richiede moldo sudore e tecnologia II a conclusione: le piante coltivate scomparirebbero se luomo non se ne prendesse cura

28 Aspetta e spera? Per migliaia di anni luomo 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 Institute of Radiation Breeding Ibaraki-ken, JAPAN jp/ Campo sperimentale: 200m diametro Sorgente Co-60 al centro 89 TBq Uso di raggi gamma per produrre nuove varietà III a conclusione: molti metodi innaturali e grossolani sono usati nello sviluppo varietale …nessun organismo scientifico indipendente ha mai escluso ricadute sulla salute di produzioni geneticamente modificate (risoluz. commis. Agricoltura)

34 P1P2F1 F2F10 Vigore ibrido nel mais: spighe prodotte da due linee parentali diverse (P1 e P2), dallibrido 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) X Ibridazione Cultura degli embrioni & duplicazione dei cromosomi durum wheat Triticum turgidum rye Secale cereale triticale X Triticosecale 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 dalluomo 1876 Il botanico scozzese A. S. Wilson incrocia frumento e segale. I semi frutto dellincrocio 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 Tramite ibridazione forzata, coltura di embrioni e duplicazione dei cromosomi

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

38 SemiCallo Fig.11.7 Trasformazione di riso con agrobatterio: (a) semi, (b) calli insieme allagrobatterio, (c) calli su terreno selettivo, (d) calli con embrioni somatici in formazione o già sviluppati, (e) plantula trasferita su nuovo mezzo di coltura. Agrobatt. Callo resistente 14 gg 3 g10 g15 g14 g b a c d e patina di agrobatterio callo Agente selettivo Embrio genesi Plantula

39 Le biotecnologie e il breeding lavorano sui geni. La modificazione genetica delle piante da parte delluomo 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 allevidenza scientifica pubblicata e allesperienze 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 % Soia 64% Cotone 29% Mais Convenzionale Transgenico M ha 23% Colza

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

43 Bottle gourd Celery Zucchini Blackjack

44 PiantaSostanza tossicaEffettoDose Assa foetida Prenylated coumarins lethal Datura stramonium Iosciamine/scopolamine atropine lethal 2 ng/ml blood Tobacco Nicotine lethal 20g leaf Solanum sodomeum Solasonine, solanidine. toxic Ricinus (castor bean) Ricin / Ricinoleic acid lethal 1 seed Tomato tomatine Potato solanine lethal 3-6 mg/Kg Cassava Cyanogenic glucosides lethal? Beans Protease / amylase inhibitors, lectins toxic Almond Cyanogenic glucosides lethal 20 seeds Brassicas Glucosinolates toxic La natura: un campo minato…

45 Poppy seed tea can kill you

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47 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)… Case report: Teenagers with Jimson weed (Datura stramonium) poisoning * 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 * 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.

48 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. See also Giant hogweed, like celery, is a member of the carrot and parsley family Heracleum mantegazianum - Panace di Mantegazzi (ITA) Giant hogweed (ENG)

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

50 Tolleranza a erbicidi Resistenza a insetti (Bt) Tolleranza a erbicidi + Resistenza a insetti M ha 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 bioticiFattori abiotici Luce -Carenza -Eccesso Infestanti -Monocot. -Dicot. -Erbe parassite Animali -Insetti -Acari -Nematodi -Lumache -Mammiferi -Uccelli Patogeni -Funghi -Batteri (fitoplasmi) Acqua -Siccità -Allagamento Temperatura -Caldo -Freddo -Gelo Sostanze nutrienti -Carenza -Eccesso Sostanze tossiche -Osmosi -Inibizione Virus/ viroidi* Ferite * I virus non sono considerati organismi viventi, ma di solito vengono classificati tra i fattori di stress biotico

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 OH OH COO - -2 O 3 PO CH 2 OH O COO O 3 PO Shikimato-3-fosfato Fosfoenolpiruvato (PEP) 3-enolpiruvil-3-shikimato -fostato (EPSP) EPSP sintasi CH 2 O -2 O 3 PCOO - Reazione della EPSP sintasi Il glifosate assomiglia a parte dello Shikimato-3-fosfato Interagisce con lenzima in modo non competitivo e ne riduce lattività Viene decomposto relativamente velocemente a CO 2, NH 3 e fosfato Non percola in falda (rimane legato alle particelle del terreno) Poco tossico (LD 50 glifosate >>LD 50 NaCl ) Glifosate COO N H O3PO3P corismato Trp Phe Tyr inibisce la EPSP sintasi Indispensabile per la sintesi degli aa aromatici

54 Soia RR trattata con glifosate Immagine per gentile concessione del Centro Agricolo dellUniversità Statale della Luisiana (LS, USA).

55 (a) Stocco di mais con una larva di piralide allinterno. (b) Particolare di spiga di mais matura con rosure ed escrementi di piralide e infestazione da Fusarium. a b

56 (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. a c c b d

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

58 Livello di fumonisine in mais Bt e convenzionale in alcune prove sperimentali eseguite in Italia, Francia e Turchia in diversi anni. Fumonisine (mg/kg) PaeseAnno Mais BtConv. Italia ,019, ,431, ,43, ,020, ,056,0 Francia ,36, ,45,6 Turchia ,516, ,714,7

59 Fibra di cotone (Mt) Produzione cotone (Mt) Area (Mha) Resa fibra Cotone o fibra (Mt) Resa fibra (q.li/ha) Produzione e resa del cotone in India ( ) Per i dati di produzione, superficie e resa di ogni coltura e nazione: dati FAO La produttività del cotone in India è più che raddoppiata con lavvento del cotone Bt

60 Rese massime, medie e perdite di produttività delle maggiori colture. Valori in t/ha; % riferite alla resa massima.

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

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

63 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 Fiore infiorescenza Pianta giovane

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

66 Crisi di identità Petalo fiore Sepalo fogliolina Mutante: Apetala

67 Qualche problema in più Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi) Agamous stami petali stami carpelli PistillataApetala3 stami carpelli petali sepali carpelli fiore petali sepali

68 B AC 1234 sepalipetali stamicarpelli B A C 1234 carpelli stamistamicarpelli Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

69 DOPPIO MUTANTE nei geni di classe B e C B A C 1234 sepali x x Immagini cortesia di L. Colombo (Unimi)

70 B AC 1234 B AC 1234 new flower sepals petals stamenscarpels sepals petals A

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

72 E pure il Cavolfiore… …imitato dallarabidopsis

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

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

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

77 total damage mm 2 thrips larvae total damage mm 2 thrips larvae wtgp mutant wtgp mutant CD Foglie basali Foglie apicali Wild-type Green petals mutant IV a conclusione: lingegneria genetica è più mirata, più predicibile, più veloce e meno costosa come metodo

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 English.pdf 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: pdf pdf PUBBLICITA

79 Ticchiolatura del melo Fungo causa la malattia più rilevante per il melo Perdite produttive fino al 100% Coltivazione commerciale può richiedere trattamenti fungicidi allanno Lingegneria genetica può aiutare a rendere lagricoltura più sostenibile

80 Girasole tollerante agli erbicidi 350,000 acri coltivati questanno negli USA 1.Cross-breeding con parenti selvatici – SI 2.Flusso genico verso varietà sensibili – SI 3.Usa meno erbicida – NO; ma imazamox può persistere nel suolo. Spesso si raccomanda di non crescere varietà sensibili 21 mesi dopo luso dellerbicida. Per di più, la resistenza a questo erbicida insorge velocemente, spesso dopo 4 o 5 trattamenti. Questo comporta un aumento nelluso dellerbicida. 4.Invasione dellambiente – 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 dallagenzia 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 Prima della coltivazione occorre ottenere un permesso sulla base di documentazione scientifica Varietà convenzionale Varietà transgenica Immagini cortesia di A. McHughen (Canada)

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84 Fermentazione alcolica converte gli zuccheri in etanolo e CO 2 O O H H H OH OH HOH H OH O H OH OH H H OH OH Saccarosio Etanolo + CO 2 Saccharomyces cerevisiae Uva O OH H H H OH OH HOH H OH Glucosio O OH H OH OH H H OHOH Fruttosio +

85 Oenococcus oeni Ac. malico Fermentazione malolattica che converte lac. malico in ac. lattico e CO 2 Ac. lattico CO 2 +

86 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 + CO 2 Saccharomyces cerevisiae ML01 malato malato permeasi (mae1) malato lattato malato decarbossilasi (mleA) O OH H H H OH OH HOH H OH Glucosio O OH H OH OH H H OHOH Fruttosio +

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

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

89 Major mycotoxins and their effects Aflatoxin B1 and G1 are 1.Mutagenic (chromosomal aberrations) 2.Carcinogenic (liver, kidney) Fumonisin B1, B2 and B3 are 1. Carcinogenic (liver, kidney, esophagus) 2.Teratogenic (neural tube defects) 3.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 Liu and Wu (2010) Environmental Health Perspectives Global Burden of Aflatoxin-Induced Hepatocellular Carcinoma: A Risk Assessment. Environ Health Perspect. 118: 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.

91 Fumonisins inhibit sphingolipid biosynthesis Reduces the formation of sphingomyelin Sphingomyelin is required for GPI-anchored proteins Folate transporter Loss of Sphingomyelin means a reduced amount of folate transporter and folate uptake 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 Presidents 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 %Muslim was positively correlated with rice consumption, but inversely with maize consumption Williams et al (2010) HIV and esophageal cancer deaths were significantly related to maize. Hepatocellular cancer deaths were positively related to rice but negatively related to 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.

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. Williams et al (2010) 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.

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 US General U.S. popul.: <3 Quetzaltenango:106 Quetzaltenango has a mostly indigenous population that consumes high amounts of maize as their staple food Mean incidence and range in incidence of various locations within the regions or countries are shown; the bar for Limpopo represents one data point. Incidence of neural tube defects (NTD per 10,000 live births) Marasas et al. (2004) In Italy the incidence of spina bifida is 3.3/10,000 in the period. Total NTDs: 6.8

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.

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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 normal fetus 50 µmol/L FB1 none Embryos after 24 h in culture medium 50 µmol/L FB1 50 µmol/L FB1 plus 1 µmol/L folinic acid Embryos after 24 h in medium mother injected with 20 mg/kg body weight FB1 on d 7.5 and 8.5 d 17.5 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: Exposing pregnant mice or embryos to fumonisin causes NTDs

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): 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: Brookes G, The benefits of adopting genetically modified, insect resistant (Bt) maize in the European Union (EU): first results from plantings.

104 Fumonisin content ppb (μg/kg) AuthorYearMaize BtNon-Bt Pietri, Masoero, Field trials in Northern Italy

105 FAO class Hybridt/ha (15,5% moist) moist% at harvest ECB larvae* Fum.B1 (ppb) 600P , P67 (Bt)15.926, Cecilia11.021, Elgina (Bt)14.123,5048 Landriano field trial (2005) 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...

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 dellagricoltura: * 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: Linformatore 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


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