Luis De Stefano Beltrán, Ph.D.Luis De Stefano Beltrán, Ph.D.luis.destefano@upch.edu.peluis.destefano@upch.edu.peUnidad de Genómica - UPCHUnidad de Genómica - UPCH

La Biotecnología Agrícola: La Biotecnología Agrícola: Generación de OGMs y Generación de OGMs y

GenómicaGenómica

Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna” Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna”

Globalización de los Alimentos: Globalización de los Alimentos: ““El Mundo en tu Plato”El Mundo en tu Plato”

“Chicken a la Kiev”

PechugaPechuga: : Francia, Bélgica,Francia, Bélgica, Irlanda, UKIrlanda, UK

BatidoBatido Harina: Bélgica, Francia Harina: Bélgica, Francia Agua: IrlandaAgua: Irlanda

Relleno Relleno Mantequilla: IrlandaMantequilla: Irlanda Puré de Ajo: China, USA, EspañaPuré de Ajo: China, USA, España Limón: USALimón: USA Perejil: Francia, UKPerejil: Francia, UK Pimienta: IndonesiaPimienta: Indonesia Agua: IrlandaAgua: Irlanda

Cubierta de Pan Cubierta de Pan Pan: Irlanda, UKPan: Irlanda, UK

Aceite de Canola: USA, AustraliaAceite de Canola: USA, Australia

¿Qué es la Agricultura Biotecnológica?

“ “ . . . Es una tecnología avanzada que permite . . . Es una tecnología avanzada que permite a los mejoradores de plantas realizar a los mejoradores de plantas realizar cambios genéticos precisos para impartir cambios genéticos precisos para impartir características benéficas a los cultivos que características benéficas a los cultivos que dependemos para alimento y fibra . . .”dependemos para alimento y fibra . . .”

www.bio.orgwww.bio.org

23,000 años de Agricultura23,000 años de Agricultura

El ser humano ha modificado genéticamente a las plantas desde El ser humano ha modificado genéticamente a las plantas desde el comienzo mismo de la civilizaciónel comienzo mismo de la civilización

El Maíz moderno tiene como ancestro El Maíz moderno tiene como ancestro al Teosinteal Teosinte

Zanahoria silvestreZanahoria silvestre Zanahorias comercialesZanahorias comerciales

Bananas silvestresBananas silvestres

Bananas comercialesBananas comerciales

Evidencia reciente la coloca hace 5,000 a 8,000 en Evidencia reciente la coloca hace 5,000 a 8,000 en Papua Nueva Guinea Papua Nueva Guinea

Lechuga silvestre Lechuga comerciales

Evolución del Tamaño durante la Evolución del Tamaño durante la domesticación del Tomatedomesticación del Tomate

TrigoTrigo CentenoCenteno TriticaleTriticale

““All Red” PotatoAll Red” Potato Coliflor GraffitiColiflor Graffiti

CultivoCultivo Nombre de la Variedad Nombre de la Variedad ComercialComercial Método para inducir la mutaciónMétodo para inducir la mutación

ArrózArróz Calrose 76Calrose 76 Rayos GammaRayos Gamma

TrigoTrigoAboveAbove Azida de SodioAzida de Sodio

LewisLewis Neutrones térmicosNeutrones térmicos

AvenaAvena Alamo-XAlamo-X Rayos XRayos X

ToronjaToronjaRio RedRio Red Neutrones térmicosNeutrones térmicos

Star RubyStar Ruby Neutrones térmicosNeutrones térmicos

Bermuda GrassBermuda Grass

TifeagleTifeagle Rayos GammaRayos Gamma

Tifgreen IITifgreen II Rayos GammaRayos Gamma

Tift 94Tift 94 Rayos GammaRayos Gamma

Tifway IITifway II Rayos GammaRayos Gamma

LechugaLechuga

Ice CubeIce Cube Methanosulphonato de EtiloMethanosulphonato de Etilo

Mini-GreenMini-Green Methanosulphonato de EtiloMethanosulphonato de Etilo

FrijolFrijolSeafarer, SanilacSeafarer, Sanilac Rayos X (MSU)Rayos X (MSU)

Seaway, GratiotSeaway, Gratiot Rayos X (MSU)Rayos X (MSU)

LilacLilac Prairie PetitePrairie Petite Neutrones térmicosNeutrones térmicos

St. Augustine GrassSt. Augustine GrassTXSA 8202TXSA 8202 Rayos GammaRayos Gamma

TXSA 8212TXSA 8212 Rayos GammaRayos Gamma

Ejemplos de Variedades Comerciales Producidas Ejemplos de Variedades Comerciales Producidas por Mutaciónpor Mutación

Hasta el momento se han “liberado” 2,252 variedades Hasta el momento se han “liberado” 2,252 variedades desarrolladas por mutación y que nunca fueron analizadasdesarrolladas por mutación y que nunca fueron analizadas

15

Toronja Rio RedToronja Rio Red Toronja Star RubyToronja Star Ruby

18

19

Transformación Genética Transformación Genética Mediada por Mediada por Agrobacterium Agrobacterium

tumefacienstumefaciens

Agrobacterium rubiAgrobacterium rubi Agrobacterium tumefaciensAgrobacterium tumefaciens

Agrobacterium rhizogenesAgrobacterium rhizogenes

Agrobacterium vitisAgrobacterium vitis

El genoma de El genoma de A. tumefaciens A. tumefaciens C58 C58 tiene 5.67 Mbp divididos en 4 tiene 5.67 Mbp divididos en 4 Replicones:Replicones:Un cromosoma circular de 2.84 Mbp Un cromosoma circular de 2.84 Mbp que codifica que codifica chvABchvAB, , chvGIchvGI, , chvEchvE, , rosros,,chvDchvD, , chvHchvH y y acvBacvB. . Un cromosoma lineal de 2.08 Mbp que Un cromosoma lineal de 2.08 Mbp que codifica codifica exoCexoC y los genes y los genes cel.cel. Un plásmido, pAtC58, de 0.54 Mbp queUn plásmido, pAtC58, de 0.54 Mbp quecodifica los genes codifica los genes attatt..Un plásmido de 0.21 Mbp, pTiC58 queUn plásmido de 0.21 Mbp, pTiC58 quecodifica los genes codifica los genes virvir . .

En total el genoma codifica 5,400 En total el genoma codifica 5,400 genes de los cuales un 64% tiene unagenes de los cuales un 64% tiene unafunción asignada o putativa.función asignada o putativa.

Características Principales del Genoma de Características Principales del Genoma de Agrobacterium tumefaciens Agrobacterium tumefaciens C58C58

24

25

Estructura de un Típico Estructura de un Típico Plásmido Ti del tipo OctopinaPlásmido Ti del tipo Octopina

27

http://photobucket.com/

Modelo General de TMA de una Célula VegetalModelo General de TMA de una Célula Vegetal

Mecanismo de Transformación Mecanismo de Transformación mediada por mediada por A. tumefaciensA. tumefaciens

Reconocimiento químico de la célula de la planta y Reconocimiento químico de la célula de la planta y activación de los genes de virulencia.activación de los genes de virulencia.

Reconocimiento físico e interacción entre la bacteria y la Reconocimiento físico e interacción entre la bacteria y la célula de la planta.célula de la planta.

Producción de sustratos transferidos y de la maquinaria de Producción de sustratos transferidos y de la maquinaria de transferencia.transferencia.

Transferencia de sustratos de la bacteria a la célula de la Transferencia de sustratos de la bacteria a la célula de la planta.planta.

Movimiento de sustratos al núcleo.Movimiento de sustratos al núcleo. Integración del T-DNA en el genoma de la célula de la Integración del T-DNA en el genoma de la célula de la

planta.planta. Expresión del T-DNA.Expresión del T-DNA.

Fenoles y Azúcares capaces de Fenoles y Azúcares capaces de inducir los genes inducir los genes virvir

Modelo de integración y actividad de Modelo de integración y actividad de señales del sistema traductor ChvA/VirAseñales del sistema traductor ChvA/VirA

Transporte MacromolecularTransporte MacromolecularEl complejo VirB/VirD4 es un típico El complejo VirB/VirD4 es un típico sistema de secreción tipo IV, T4SS, sistema de secreción tipo IV, T4SS, que comprende 12 proteínas, que comprende 12 proteínas, VirB1-11 + VirD4 necesarias para VirB1-11 + VirD4 necesarias para tener virulencia, asociación con la tener virulencia, asociación con la cubierta celular y una estructura cubierta celular y una estructura “multisubunit” que atravieza dicha “multisubunit” que atravieza dicha cubierta.cubierta.

Los sustratos transportados al Los sustratos transportados al interior de las células por este interior de las células por este complejo son: VirD2-T-DNA, VirE2, complejo son: VirD2-T-DNA, VirE2, VirE3, VirF y VirD5:VirE3, VirF y VirD5:¿Cómo son marcados para la ¿Cómo son marcados para la exportación? Las señales se exportación? Las señales se encuentran en la región carboxi encuentran en la región carboxi terminal.terminal.Secuencia Consensus: Secuencia Consensus: R-X(7)-R-X-R-X-R R-X(7)-R-X-R-X-R Coupling Protein: VirD4Coupling Protein: VirD4

Uso de Uso de A. tumefaciensA. tumefaciens para la TG de para la TG de PlantasPlantas

Factores a tener en cuenta en el diseño de un Factores a tener en cuenta en el diseño de un experimento de transformación:experimento de transformación: El tejido de la planta (hoja, cotiledón, raíz, El tejido de la planta (hoja, cotiledón, raíz,

etc)etc) El vector (pBIN19, pCAMBIA, pBI121, etc), El vector (pBIN19, pCAMBIA, pBI121, etc),

promotor del cassette (CaMV35S, Patatin, promotor del cassette (CaMV35S, Patatin, GBSS), gen marcador (KnR, HygR, etc). GBSS), gen marcador (KnR, HygR, etc).

La cepa de La cepa de A. tumefaciens (A. tumefaciens (LBA4404, A281, LBA4404, A281, EAA101, EHA105, AGL0, AGL1, etc.EAA101, EHA105, AGL0, AGL1, etc.

Construcción de Cassettes: Construcción de Cassettes: Contiene:

Marcadores de SelecciónMarcadores de Selección

Kanamicina (Kanamicina (NPTIINPTII)) Higromicina B (Higromicina B (hpthpt)) Bialaphos (Bialaphos (barbar y y patpat)) Fosfomanosa isomerasa (Fosfomanosa isomerasa (manAmanA)) D-Amino Acid Oxidasa (D-Amino Acid Oxidasa (dao1dao1)) Gus genGus gen GFPGFP

Sistema de Selección basado en Sistema de Selección basado en D-Amino Oxidasa (DAAO)D-Amino Oxidasa (DAAO)

Fase en el Laboratorio

Fase de Campo

No-transgénicos

Transgénicos

Resistencia a Herbicidas

Prueba Final de Campo

Maíz RoundUp Ready

Antes Después

Con 15 años de experienciaCon 15 años de experiencia

No ha sido comprobado ni un sólo daño a No ha sido comprobado ni un sólo daño a la salud humana o pecuariala salud humana o pecuaria

Se ha comprobado beneficios en cuantoSe ha comprobado beneficios en cuantoMenos intoxicaciones con micotoxinasMenos intoxicaciones con micotoxinasMenos envenamientos con insecticidasMenos envenamientos con insecticidasMejor calidad nutritivaMejor calidad nutritiva

Chakraborty et al. (2000) PNAS, 97, 3724-3729

Butelli et al., (2008) Nature Biotech. 26: 1301-08

¿Cuánto pagaría por una cebolla que no lo¿Cuánto pagaría por una cebolla que no lo hiciera llorar?hiciera llorar?

Forrajeras con bajo contenido de lignina y mayor digestibilidadForrajeras con bajo contenido de lignina y mayor digestibilidad

¿Cuánto pagaría por un ramo de rosas con un ¿Cuánto pagaría por un ramo de rosas con un aroma “out-of-this-world” para la novia más bella?aroma “out-of-this-world” para la novia más bella?

Banano Cavendish y Finger Lady resistentes a Banano Cavendish y Finger Lady resistentes a la enfermedad de Panamála enfermedad de Panamá

¿No le gustaría una manzana que no se “negree”?¿No le gustaría una manzana que no se “negree”?

55

56

La Matrix del La Matrix del EstrésEstrés

CultivoCultivo RendimientoRendimientorécord en récord en

países países desarrolladosdesarrollados

(Kg/Há)(Kg/Há)

RendimientoRendimientoPromedio Promedio mundialmundial(Kg/Há)(Kg/Há)

Rendimiento Rendimiento PromedioPromedio

(% del récord)(% del récord)

PérdidaPérdidaPromedio por Promedio por factor Bióticofactor Biótico(% del récord)(% del récord)

PérdidaPérdidaPromedio por Promedio por factor Abióticofactor Abiótico(% del récord)(% del récord)

TrigoTrigo 14,50014,500 1,8801,880 13.013.0 5.05.0 82.182.1

CebadaCebada 11,40011,400 2,0502,050 18.018.0 6.76.7 75.475.4

SoyaSoya 7,3907,390 1,6101,610 21.821.8 9.09.0 69.369.3

MaízMaíz 19,30019,300 4,6004,600 23.823.8 10.110.1 65.865.8

PapaPapa 94,10094,100 28,30028,300 30.130.1 18.918.9 54.154.1

Remolacha Remolacha AzucareraAzucarera

121,000121,000 42,60042,600 35.235.2 14.114.1 50.750.7

Rendimientos Promedios y Récords de algunos Rendimientos Promedios y Récords de algunos cultivos importantes (Bray cultivos importantes (Bray et. alet. al., 2000)., 2000)

17001700 20072007 Incremento Incremento (# de veces)(# de veces)

Población Población (millones)(millones)

500500 6,6026,602 13.2013.20

Tierra Tierra Cultivada Cultivada

(Hás)(Hás)

270 millones270 millones 1,539 (1.13 1,539 (1.13 +0.407)+0.407)

5.75.7

Uso intensivo de Tecnología en la AgriculturaUso intensivo de Tecnología en la Agricultura salvó mucha Biodiversidadsalvó mucha Biodiversidad

19611961 20072007 Incremento Incremento (# de veces)(# de veces)

Población Población (millones de (millones de

personas)personas)

3,0003,000 6,6026,602 2.202.20

Tierra Cultivada Tierra Cultivada (millones de (millones de

Hás)Hás)

1,3401,340 1,539 (1.13 1,539 (1.13 +0.407)+0.407)

1.151.15

Si la Tecnología se hubiese congelado en el 1961 Si la Tecnología se hubiese congelado en el 1961 ¿cuánta Biodiversidad se habría perdido?¿cuánta Biodiversidad se habría perdido?

2020 = 8,000 millones2020 = 8,000 millonesEn 2025 la India tendrá 1,500 millones En 2025 la India tendrá 1,500 millones China con 20-25% de la población mundial sólo tiene el 7% de tierra cultivada.China con 20-25% de la población mundial sólo tiene el 7% de tierra cultivada.Un terreno equivalente a la Amazonía ha sido “salvada” desde 1961.Un terreno equivalente a la Amazonía ha sido “salvada” desde 1961.

Población Mundial 1950 - 2050Población Mundial 1950 - 2050

““Algo no está bien: … nuestro aire es limpio, nuestra agua es pura,Algo no está bien: … nuestro aire es limpio, nuestra agua es pura, hacemos mucho ejercicio, todo lo que comemos es orgánico…hacemos mucho ejercicio, todo lo que comemos es orgánico… y sin embargo, ninguno de nosotros llega a los 30.”y sin embargo, ninguno de nosotros llega a los 30.”

MUCHAS GRACIASMUCHAS GRACIAS