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INGENIERIA GENETICA

DE CULTIVOS

SERGIO CONTRERAS LIZA

Facultad de Ciencias Agroindustriales y

Ambientales

EAP AGRONOMIA

UNJFSC-HUACHO

18 DE JUNIO DEL 2012

Población mundial y producción de

alimentos

De acuerdo Naciones Unidas, la población

mundial alcanza los 6 mil 800 millones de

habitantes (2011), más de 2.5 veces que en

1950, y se estima que alcanzará 9 mil

millones en el 2045, lo que se traducirá en

una enorme demanda de alimentos.

Ese reto es aún mayor si se toman en cuenta

los efectos negativos del cambio climático en

la producción agropecuaria y el deterioro de

los recursos naturales, como resultado de las

actividades humanas. 2

Seguridad Alimentaria

Por ello, las acciones deben orientarse a

buscar la seguridad alimentaria mediante la

producción de alimentos suficientes, inocuos,

accesibles y de calidad, pero cuidando en

todo momento los recursos naturales y el

medio ambiente. Se requiere aumentar la

disponibilidad de semillas, recuperar la

fertilidad de los suelos, hacer un uso eficiente

del agua y darle valor agregado a la

producción primaria.

3

Población Mundial 1950-2050

4

La pregunta relevante es ¿Cómo la

biotecnología contribuirá a atender la

demanda alimenticia en un contexto

caracterizado por consumidores cada vez

más exigentes, mejor informados y más

preocupados, no sólo por el contenido mismo

de los alimentos sino por cómo se produjeron

y comercializaron?

5

La biotecnología ha permitido el desarrollo de

nuevas herramientas que sumadas al

mejoramiento convencional de cultivos y

animales, pueden aplicarse con diversos

fines, como el mejoramiento genético de

variedades vegetales y poblaciones

animales, el aumento de rendimientos, la

caracterización y conservación de los

recursos genéticos así como el diagnóstico y

prevención de enfermedades.

6

La gama de posibilidades que ofrece la

biotecnología también debe responder a los

cambios en los patrones de consumo, como

los alimentos con propiedades nutraceúticas,

con más vitaminas y minerales, que resistan

mejor el transporte y el almacenamiento…

Esa es la relevancia y el potencial del tema

que hoy nos ocupa.

7

¿Que es la Biotecnología?

La biotecnología es una tecnología basada

en la biología molecular , especialmente

usada en agricultura, farmacia, ciencia de los

alimentos, medioambiente y medicina.

Se desarrolla en un enfoque multidisciplinario

que involucra varias disciplinas y ciencias

como biología, bioquímica, genética,

virología, agronomía, ingeniería, física,

química, medicina y veterinaria entre otras. 8

Ingeniería Genética

La Ingeniería Genética o Biotecnología, tal

como se entiende generalmente, abarca:

1. La aplicación del cultivo de tejidos,

2. Las técnicas inmunológicas,

3. La genética molecular y

4. Las técnicas del ADN recombinante en

todas las facetas de la producción

agropecuaria y la agroindustria.

9

10

Transformación genética de las plantas

El desarrollo de estos métodos representa uno de los

avances más significativos en el campo de la mejora de

plantas, ya que con la ingeniería genética se amplían las

fuentes de la variabilidad genética disponible hasta

incluir a todos los organismos vivos permitiendo así la

introducción de cualquier gen de interés en especies

vegetales.

Una vez establecidos los distintos sistemas de

regeneración in vitro así como la disponibilidad de

genes, sólo faltaría aplicar algún método de

transferencia génica que posibilite la obtención de

vegetales genéticamente modificados.

BIOTECNOLOGÍA VEGETAL

11

Metodologías de transformación

La aplicación de esta tecnología depende de la

disponibilidad de sistemas eficientes para introducir

de manera estable el material genético foráneo en el

interior de células capaces de regenerar plantas

enteras con las características predefinidas.

Existen muy diversas metodologías de

transformación que se pueden agrupar en dos

sistemas: la transformación directa y la

transformación indirecta o mediante agentes

biológicos.


12

La transformación directa

También utilizada en animales y procariotas, que incluye

técnicas como la microinyección, el uso de agentes

físicos o químicos que faciliten la entrada a la célula

como el polietilénglicol, la electroporación, la sonicación,

la creación de poros mediante rayos láser, la pistola de

genes o método biolístico (originariamente, biobalístico).

Es especialmente importante en especies vegetales que

no son infectadas fácilmente por Agrobacterium, como

las monocotiledóneas.


13

Microcañón con partículas metálicas

rodeadas de ADN


14

La transformación indirecta

Esta metodología utiliza una bacteria fitopatógena, en especial Agrobacterium tumefaciens, como vector biológico portador del DNA que será transferido a la planta (también se suele utilizar la especie Agrobacterium rhizogenes).

Este sistema es específico de plantas, principalmente dicotiledóneas, y a pesar de tener limitaciones en su uso es el que más éxitos ha propiciado. Gracias a la aplicación de esta tecnología ya se han obtenido y ensayado satisfactoriamente entre otras, plantas resistentes a herbicidas, insectos (sobretodo lepidópteros) o virus, así como frutos con el proceso de maduración controlable y con proteínas modificadas


15

Etapas de la biotecnología

Como se dijo antes, la biotecnología es la

aplicación de la tecnología en las ciencias

biológicas que tiene por objeto elaborar

productos nuevos utilizando organismos

vivos. Los avances científicos de los años 70

y 80 llevaron a un proceso de la tecnología

moderna en 3 fases, que tienen como base

las técnicas de ingeniería genética y

posibilitan la realización de modificaciones

específicas de ADN.


1. Identificación del gen

16

El primer paso en la

ingeniería genética es

identificar y aislar el

nuevo gen procedente de

las cadenas de ADN del

organismo donante

utilizando unas "tijeras"

de enzimas denominadas

nucleasas restrictivas o

endonucleasas de

restricción.


RT-PCR análisis

17

2. Transferencia del gen

El siguiente paso es transferir el gen aislado

al ADN del organismo receptor utilizando las

enzimas ligasas como "adhesivo".


18

3. Expresión del gen

Finalmente, el organismo receptor decodifica o

expresa la información procedente del nuevo

gen y fabrica una proteína nueva, con lo cual

adquiere una propiedad nueva o carácter.


19

La transferencia genética mediante

Agrobacterium

Agrobacterium se utiliza para transferir genes

a las plantas. Los genes meta se insertan en

plásmidos (anillos de ADN en el interior del

Agrobacterium que transfieren los caracteres

a las plantas a través del ADN).


20

Estructura de Agrobacterium

En el esquema (Figura 1) se muestra la

estructura diagramática de la célula de

Agrobacterium. El proceso comienza con una

única célula de Agrobacterium que se divide y

se abre un plásmido con una enzima especial.

Se separa un gen de interés del ADN

cromosómico de otro organismo con la misma

enzima. El nuevo gen se inserta en el plásmido.


21

Fig.1. Diagrama de la célula de

Agrobacterium tumefaciens


22

El plásmido quimérico

Dado que los extremos cortados o romos, tanto

del plásmido como del segmento de gen del

donante son químicamente "afines", se pueden

pegar juntos y/o volver a combinar para formar un

plásmido que contenga el nuevo gen.


23

Tecnología del ADN recombinante

Esta técnica se conoce con el nombre de

"empalmes de gen" o tecnología de ADN

recombinante. Se vuelve a insertar el plásmido

que contiene el nuevo gen en Agrobacterium.

De este modo, las plantas van a estar infectadas

con Agrobacterium ya que cuando éste entra en

las células vegetales, transfiere el nuevo gen al

ADN cromosómico de la planta. Cuando la

célula de la planta se divide, cada célula hija

recibe el nuevo gen.


24

Recuperación de plantas transgénicas

Al utilizar la técnica de cultivo de tejidos, los

científicos hacen crecer plantas nuevas de

las células alteradas genéticamente y todas

esas plantas poseerán el carácter genético

seleccionado e importado mediante el nuevo

gen.


25

Fig.2 .- Plásmido Ti de Agrobacterium

tumefaciens


26

Expresión del gen

Para que en un gen pueda expresarse, la

enzima ARN polimerasa debe reconocer el

"promotor" y el "terminador". La ARN

polimerasa del tabaco (una planta muy

empleada en estos experimentos de

transferencia de genes) no reconoce los

promotores y terminadores de E. coli y por

consiguiente no transcribe este gen.


27

Para solucionar el problema se fabricó un

gen compuesto o quimérico a partir del gen

de la resistencia al cloramfenicol de E. coli,

un promotor y terminador procedentes del

segmento ADN-T de Agrobacterium

tumefaciens. El gen quimérico se reincorporó

en un plásmido Ti (fig. 3):


28

Fig.3.- Gen quimérico en el plásmido

Ti de Agrobacterium


Transformación de E. coli

29

Plantas transgénicas con gen Bt

30

31

Regeneración de plántulas

De esta manera el gen quimérico funcionó al poder ser detectada la actividad de la cloramfenicol transcetilasa en tejidos tumorales. Aún quedaba una dificultad a salvar: la regeneración de una planta entera a partir de células transformadas. Como las células transformadas eran tumorales e incapaces de esta regeneración y el siguiente paso consistió en eliminar los genes tumorales del segmento ADN-T


32

Se pueden regenerar plantas enteras

transgénicas que sean fértiles y con las que se

puede estudiar la transmisión de caracteres a su

descendencia. Además si se escogen los

promotores adecuados, es posible expresar

genes en órganos específicos, como raíces,

semillas y tubérculos.


33

El gen de resistencia al antibiótico

El gen de la resistencia a antibióticos no tiene

interés agronómico por lo que había que

identificar, aislar y clonar los genes que

pudiesen mejorar las plantas cultivadas. En el

caso de caracteres con base genética compleja

(donde intervienen numerosos genes), como la

resistencia de una planta al frío, es mucho más

difícil la manipulación genética que con los

caracteres que se expresan como consecuencia

de la actividad de un enzima.


34

Acción de las proteínas cry

Las proteínas cry provocan la lisis de las células

intestinales de los insectos. Estos

bioinsecticidas se caracterizan por su

especificidad, pues sólo son tóxicos en

escarabajos, moscas y mariposas (grupos de

insectos causantes de la mayoría de las plagas),

y porque son prácticamente inocuas en

humanos.

E. Schnepf y H. Whiteley aislaron en 1981 el

primer gen que codifica la proteína insecticida.


35

Obtención de plantas transgénicas

Se acababa de sentar las bases para que M.D.

Chilton en 1983 obtuviera las primeras plantas

transgénicas de tabaco utilizando

Agrobacterium tumefaciens. Le siguieron otros

experimentos en diversos laboratorios de

Europa y América con el tomate y la papa.

Estos experimentos sirvieron para demostrar

que la expresión de proteínas insecticidas en

plantas era posible y proporcionaba un método

eficaz de lucha contra los insectos:


36

Plantas resistentes a insectos mediante

Agrobacterium


37

Las Plantas Bt

Todas estas investigaciones culminaron en 1996 con la

entrada en el mercado de plantas transgénicas

(algodón, papa y maíz) resistentes a insectos. A todas

estas plantas transformadas se las denomina Plantas Bt

(de Bacillus thuringiensis). En 2003 el 50% de los

cultivos transgénicos comercializados, portaban genes

cry.

El problema de la aparición de insectos resistentes a

estas plantas se prevé solucionarlo con la implantación

de distintas proteínas insecticidas en una misma planta

transgénica o en plantas transgénicas sembradas en

años alternativos.


38

Especies transformadas mediante

ingeniería genética

Hasta 1999 se habían realizado en el mundo,

unos 3650 experimentos de campo con cultivos

transgénicos y con resultados positivos, de los

cuales la mayoría corresponden a las especies

que se indican en la tabla 1. Aproximadamente

la cuarta parte de estos cultivos se han

realizado con genes cry.


39

Superficie con transgénicos por países

Arroz transgénico Bt

40

Arroz transgénico (T) y Convencional (C) en ensayos comparativos de resistencia

a insectos por adición de gen Bt al arroz..

El primer producto biotecnológico

Publicidad del Flavr Savr tomato.

Este fue el primer alimento biotecnológico desarrollado en Estados

Unidos, introducido al mercado a mediados de 1994 bajo la marca

Calgene’s ‘MacGregors’, con al atributo de maduración lenta del

fruto.

Resistencia a Virus: maíz

Transgénico vs. No Transgénico

Comparison of non-

symptomatic (left) and

symptomatic (below) transgenic

plants with non-transgenics at

20 dpi

Resistencia al frío

Effect of CBF1 over-expression in Arabidopsis, Left: Non- acclimated

controls after freezing for 5 days; middle: Non-acclimated transgenics

after freezing, right: Acclimated controls after freezing

Características introducidas

44

Soya resistente a 2-4,D

Transgenic and non transgenic soybean plants response to 2,4-D in the

field.

Resistencia a herbicidas

Las plantas transformadas con la

construcción 35S:HAHB10 son más

tolerantes a los tratamientos con

Paraquat.

Panel superior: tres líneas

independientes de plantas

transgénicas de cuatro semanas

(primera, tercera y cuarta columna) y

plantas silvestres tratadas con

Paraquat.

Panel inferior: una foto más detallada

tomada de un experimento similar

Andro esterilidad en Trigo GM

Spikelet and anther

morphologies of male

sterile TR1376A and male

fertile TR1376B transgenic

wheat lines. (a) a male fertile

spike showing that the

glumes and spikelets are

closed during anthesis; (b) a

male sterile spike showing

that the glumes and

spikelets are opened during

anthesis; (c) spikes of a

male sterile family;

(d) dehiscent male fertile

anthers; (e) indehiscent

male sterile anthers

48

Superficie Mundial con transgénicos

Area Global 1996-2009

49

EL VALOR GLOBAL DEL MERCADO

AGROBIOTECNOLÓGICO

La empresa Cropnosis estimó en 2007 que el

valor del mercado agrobiotecnológico

mundial fue de 6.900 millones de dólares, lo

que representa el 16% de los 42.200 millones

dólares en los que se valoró el mercado

mundial de protección de cultivos en el 2007

y el 20% de los 34.000 millones dólares que

se valoró el mercado mundial de semillas

comerciales ese mismo año.

50

Adopción de cultivos transgénicos

51

52

Resultados obtenidos

Soya Roundup Ready: una reducción en el uso de herbicidas de 13.018,3 toneladas métricas al año; un ahorro de costos de producción de 1.100 millones de dólares al año.

Algodón Bt: una reducción en el uso de insecticidas de 861,8 toneladas métricas al año; un aumento de producción de algodón de 83.916 toneladas métricas al año.

Variedades de maíz Bt: una reducción en el uso de insecticidas de más de 7.257,6 toneladas métricas al año; un aumento de producción de 1.587.600 toneladas métricas al año.

Papaya: la papaya biotecnológica resistente a los virus ahorró a la industria de Hawaii 17 millones de dólares en 2006, al protegerla de los efectos devastadores del virus del anillo.


Papaya con resistencia al virus

anular

53

Ensayos de Plantas GM por atributo

54

Maíz resistente a Quizalofop

Transgenic and non transgenic maize plants response to

Quizalofop in the field.

Porqué Arabidopsis es la planta

modelo para transgénesis?

Wild-type Thale cress, Arabidopsis thaliana, a member of the Cruciferae

(cabbage family). A number of factors make A. thaliana ideal for study: a

short generation time (5 weeks); a high seed number per plant (10,000); a

small genome (about one-tenth the number of base pairs as wheat); a

tendency to self-fertilization (which leads to genetic uniformity and stability);

and a susceptibility to infection by Agrobacterium tumefaciens (which means

that the plants can be genetically transformed by plasmids.

Resistencia a salinidad Heterologous expression of betA in

wheat resulted in more vigorous

phenotypes under stress treatment.

(a) Seeds germinated in Petri dishes

moistened with MS salt solution and

supplemented with different PEG-

6000 concentrations [0 (top left), 10%

(lower left), 15% (top right), 20%

(middle right), and 25% (lower

right),(w/v)].

(b) The transgenic plants developed

better roots and shoots during drought

stress treatment. The intact roots of

the plants were carefully removed

from the containers and rinsed gently

to wash off the vermiculite with tap

water. Then the roots and aerial parts

are shown.

(c) Transgenic lines and WT plants in

flowerpots before (upper) and after

(below) drought stress for 7 days and

the transgenic lines were more robust

than the WT.

Resistencia a Sequía

Plantas transformadas con la

construcción 35S:HAHB4 son más

tolerantes al estrés generado por sequía y

entran tardíamente en etapa de

senescencia.

A: plantas de Arabidopsis de 4 semanas

de edad sometidas a estrés hídrico

severo. A la izquierda: plantas silvestres y

a la derecha, plantas transgénicas. La

fotografía fue tomada dos días después

de regar.

B: plantas de Arabidopsis de siete días.

Desde la izquierda hacia la derecha:

silvestres, transgénicas con la

construcción constitutiva 35S:HAHB4;

transgénicas con la construcción inducible

promotorHAHB4:HAHB4

Producción Mundial con Cultivos

GM

59

60

Ventajas de Uso

Al necesitar las variedades biotecnológicas menos

insumos químicos, disminuiría la contaminación del

agua.

El menor uso de productos químicos resultaría en un

suministro de agua más saludable y agua potable de

mejor calidad, así como un medio ambiente más

favorable para la fauna y flora silvestres.

El mayor rendimiento de las plantas transgénicas puede

contribuir a aliviar la presión sobre los recursos de tierra

al reducir la necesidad de expansión a zonas más

frágiles y permitir así una mayor conservación de los

hábitats naturales.


Cultivos GM aprobados en USA

61

HT= resistencia

a herbicidas

IR= resistencia

a insectos

VR= resistencia

a virus

PQ= Calidad

de procesam.

AG= carácter

agronómico

MS= esterilidad

masculina .

A = aprobado

P = pendiente

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Las cosechas biotecnológicas requeririan menos energía, porque pasan menos por los campos para aplicar los productos químicos. Al usar menos combustible, se descarga menos carbono en la atmósfera en forma de dióxido de carbono.

Las cosechas resistentes a los herbicidas alientarían la adopción de métodos de labranza de conservación, en particular el que prescinde del escardado, con lo que se reduce la erosión de la capa vegetal.


Áreas con Cultivos GM- 2008

63

Efectos adversos reportados

64

Impactos en el MedioAmbiente

Según Altieri (2009) los efectos ecológicos de

los cultivos modificados genéticamente no se

limitan a ser resistentes a las plagas y a la

creación de nuevas malezas o de cepas de

virus. Los cultivos transgénicos producirían

también toxinas ambientales que se mueven

en la cadena alimenticia de los ecosistemas.

65

66

Referencias

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desarrollo: mitos, riesgos y alternativas. Ciencias, Núm.

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68

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http://www.seedworld.com/CGI-

http://www.agric.gov.ab.ca/crops/hort/grnhouse/gc9902b.html

http://incotec.com/technologies/priming.htm

http://www.ucdavis.edu/coursepages/PLB171/ lectures/Seed_production.html

http://www.biologia.edu.ar/


http://www.seedworld.com/CGI-BIN/SM40i.exe?docid=100:6847&%61rticleId=1156

http://www.agric.gov.ab.ca/crops/hort/grnhouse/gc9902b.html

http://incotec.com/technologies/priming.htm

71

Muchas gracias!

“La mejor manera de enfrentar el futuro es creándolo” (P. Drucker)

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