1ª generació: (benefici pel productor)

3ª generació: (benefici pel consumidor)

Plantes transgèniques

2ª generació: (benefici pel productor i/o distribuïdor)

� Millora en el rendiment de les collites (Resistència a herbicides, plagues i malalties, Resistència a l’entorn físic )

� Millora en les propietats organolèptiques i/o de processament

� Millora en la qualitat nutritiva dels aliments i Producció de compostos que beneficien la salut i el benestar de l’home

Tipus d'objectiu Exemples

Resistència a herbicides Resistència a glifosat (roundup)Resistència a fosfinotricina (basta)

Resistència a plagues i malalties Resistència a insectes (proteïna Bt); nematodes; fongs, bacteris, virus

Alteració de la reproducció Avançament de la floració en plantes llenyosesFruits partenocàrpics (sense llavors)

Resistència a factors del sòl Resistència a la salinitatResistència a l'acidesa del sòl

Resistència a factors climàtics Resistència al xoc tèrmicResistència a la geladaResistència a l'estrès oxidatiu

Objectius relacionats amb el rendiment i amb una menor contaminació

1ª generació: (benefici pel productor)Millora les relacions de la planta amb l’entorn (Físic i/o Biològic)

Finalitat: Millorar el rendiment de les collites

2013

175

93,9 Mha(59%)

23,9 Mha(15%)

42,2 Mha(26%)

Global Area of Biotech Crops, 1996 to 2011By trait (Million Hectares)

Source: Clive James, 2012

Transgenic crop area in 2011 (million hectares)Transgenic crop area in 2011 (million hectares)

Herbicide Tolerance (HT)

Soja sense herbicides Soja amb herbicidesEls Herbicides s’utilitzen per controlar les males he rbes

Les males herbes redueixen dràsticamentla producció i la qualitat de les collites

Herbicides

Glyphosate (Roundup)

No-selectius

Ho maten tot.No maten els conreus que són

pre-dissenyats per ser resistents

Glyphosate (Roundup ®)

Selectius

Maten a certes males herbes.No maten certs conreus

(per les diferències biològiques)

Trifluralin (Treflan ®)

Problemes amb els herbicides selectiusEls residus d’alguns herbicides selectius resten en el sòl durant un any o més; per això, els pagesos han de tenir mo lt en compte

l’historial dels herbicides utilitzats en cada conr eu (els herbicides no-selectius són biodegradats ràpida ment )

Chlorosis and necrosis of lowerleaves in beans

Growth retardation in sugarbeet

Herbicides No-selectius

Roundup ® (glifosato)

Liberty ® (glufosinato).

Es degraden ràpidament a terra, eliminant els problemes residuals

dels romanents, reduint aixíl'impacte ambiental.

Roundup Ready ®Liberty Link ®

Varietats transgèniques de conreus comuns

totalment resistents a aquests herbicides

L-phosphinotricin (L-PPT)

Plantes tolerants a herbicidesEstratègies

1. Sobre-produir la proteïna objectiu de l'herbicida.

2. Mutar el gen que codifica la proteïna objectiu de l'herbicida.

3. Introduir un gen que codifiqui una proteïna que degrada l'herbicida.

Siquimat

aminoàcids aromàtics

Siquimat

aminoàcids aromàtics

Agrobacterium CP4Zea mays modificat

bacterisllevatsplantes

EPSPS EPSPS

EPSPS5-Enolpiruvilsiquimat-3-fosfat sintasa

Plantes modificades tolerants a Roundup

Plantes normals (sensibles a Roundup)

EPSPS

EPSPS

Glifosat(Roundup)

CALVINTilacoides

ADP ATP

NADP+ NADPHCO2

E4P PEP

DAHPDHQDHS

SK

SK3P EPSP Corismat

Quinic

Fenilalanina

Gàl·lic

TaninsHidrolitzables

Èsters d’àcids cinàmics

Fenilalanina

NADPHNADPH

ATP PEP

VIA DEL SIQUIMAT

E4P = Eritrosa-4-fosfat; PEP = Fosfoenolpiruvat; DAHP = 3-Desoxi-D-arabinoheptulosat-7-fosfat; DHQ = 3-Dehidroquinat; DHS = 3-dehidrosiquimat; SK = Siquimat; SK3P =Siquimat-3-fosfat;

EPSP = 5-Enolpiruvilsiquimat-3-fosfat;.

CLOROPLAST

(Intermediari clau)

QUÍNIC

Àcids cinàmics

Fenilpropanoides

OH

HO OH

COOHHO

EPSPS

EPSPS= 5-Enolpiruvilsiquimat-3-fosfat sintasa

Glifosat (Roundup) és un herbicida que no afecta al animals (no

tenen la via del siquimat)

EPSPS Transgene Introduced into Plants

promoter polyA+Agro. CP4-EPSPStp

Pèptid de Transit procedent d’un gen vegetal que permeti

la importació al cloroplast

Soca CP4d’Agrobacterium tumefaciens

EPSPS = 5-Enol pyruvyl shikimate-3- phosphate synthase

Engineering Phosphinothricin Tolerance Engineering Phosphinothricin Tolerance

Herbicida que actua inhibint la Glutamina Sintasa (GS)

- GS sintetitza glutamina a partir d’àcid glutàmic (glutamat) i NH3- GS evita l’acumulació de nivells tòxics de NH3 a les cèl·lules vegetals

L-Fosfinotricina(L-PPT)

Glutamat

CH2HOOC CH2 C COOH

H

NH2

CH3 CH2P

O

OH

CH2 C COOH

H

NH2

Glutamina

Àcid glutàmic + NH 3 + ATP glutamina + ADP + Pi Glutamina sintasa

(GS)

Plantes tolerants a herbicides

BastaLibertyGlufosinate

Plantes tolerants a herbicides

Àcid glutàmic + NH 3 + ATP glutamina + ADP + Pi Glutamina sintasa (GS)

Fosfinotricina (L-PPT)PAT

PAT: fosfinotricinaacetiltransferasa

controlPATEstratègies

1. Sobre-produir la proteïna objectiu de l'herbicida.

2. Mutar el gen que codifica la proteïna objectiu de l'herbicida.

3. Introduir un gen que codifiqui una proteïna que degrada l'herbicida.

Streptomycesviridochromogenes

Acetil-PPT)

PhosphinotricinPhosphinotricin --tolerance Transgene Introduced into Plantstolerance Transgene Introduced into Plants

promoter

Regulatory sequences recognised by plant(either from plant gene or plant virus gene).Frequently use 35S CaMV promoter

Bacterial pat polyA

Gen pat (Phosphinothricin acetyl transferase = PAT)

Streptomyces viridochromogenes

Tipus d'objectiu Exemples

Resistència a herbicides Resistència a glifosat (roundup)Resistència a fosfinotricina (basta)

Resistència a plagues i malalties Resistència a insectes (proteïna Bt); nematodes; fongs, bacteris, virus

Alteració de la reproducció Avançament de la floració en plantes llenyosesFruits partenocàrpics (sense llavors)

Resistència a factors del sòl Resistència a la salinitatResistència a l'acidesa del sòl

Resistència a factors climàtics Resistència al xoc tèrmicResistència a la geladaResistència a l'estrès oxidatiu

Objectius relacionats amb el rendiment i amb una menor contaminació

1ª generació: (benefici pel productor)Millora les relacions de la planta amb l’entorn (Físic i/o Biològic)

Finalitat: Millorar el rendiment de les collites

Plantes resistents a insectesBacillus thuringiensis: gen de la toxina Bt (Cry)

�Toxina bacteriana específica per a larves d'insectes

�La toxina s'uneix a proteïnes específics en les cèl·lules que recobreixen l'intestí de l'insecte

�Soques específiques ataquen a certs insectes

�La toxina és completament inofensiva per animals no específiques

alkaline pH

toxinreceptor

Toxin-receptor

“ulcer-like”

death

Bt protoxin

s'uneix a receptors específics

de l'insecte i causa la paràlisi

del sistema digestiu

cry IA

Bt proteïna(δ-endotoxina)

Blat de moro Bt (cry1Ab )European corn borerOstrinia nubilalis

No-Bt

Cotton bollwormSesamia nonagrioides

Cotó Bt (cry1Ac)

� Reducció de l'ús de pesticides� Millora gra (blat de moro) o la qualitat del cotó

Toxina Bt activa enfront

Lepidopters, Dipters, Coleopters

promotor TerBt Cry

Plantes resistents a insectes

BtNo-BtBtNo-Bt corn Bt corn

Colorado potato beetle: cry 3ABt potato

No-Bt Bt No-Bt

promotor TerBt Cry

Insect-resistant GM plants

� La utilització de les plantes Bt porta a una disminucióen la utilització d'insecticides (substàncies tòxiques)

� Això porta a una reducció del risc per a la salut tan dels consumidors com dels operadors

� Les micotoxinesmicotoxines són presents en molts cultius. Poden ser molt tòxiques, sovint cancerígenes

� La contaminació amb algunes micotoxines es redueix clarament en el blat de moro Bt. De fet, s’han trobat efectes positius sobre el creixement de porcs i pollastres.

2ª generació: (benefici pel productor i/o distribuïdor)

Tipus d'objectiu Exemples

Qualitat tecnològica (processament) Maduració controladaConsistència del fruit en el transportAlteració de la lignina

Qualitat organolèptica Prevenció de la decoloracióProteïnes edulcorantsModificació d'aromes

Alteracions morfològiques i ornamentals Talla de la planta (nanisme)Color i forma floralArquitectura vegetal

Objectius tradicionals que també aborda l'enginyeria genètica

L-Metionina

S-Adenosil-L-metionina (SAM)

1-Aminociclopropà1-carboxilat (ACC)

Etilè

(1) SAM-Sintasa

(2) ACC-Sintasa

(3) ACC-Oxidasa

Maduraciócontrolada

CH2=CH2

L’Etilè juga un papermolt important en laMaduració dels fruits

Metionina

S-adenosilmetionina(SAM)

ETILÈ

SAM-sintasa

ACC-sintasa

ACC-Oxidasa

ACC

Supressió activitat

(RNA antisentit)

Juga un paper molt important en la maduració dels fruits

Disminueix la concentraciód’ACC i etilè

Retarda lamaduració dels fruits

DR = Delayed Ripening

Si disminueix l'expressió deACC sintasa ACC oxidasa

(RNA antisentit)

What is an antisense RNA?

Hibridació

Transcripció

What is an antisense RNA?

Formació microRNA

DICERRISC

dsRNA

DICER = double-strated RNA-specific ribonuclease

RISC = RNA-induced silencing complex

Supressió activitat ACC-oxidasa (ACCO)

Gen de la planta Transgen en antisentit

......AUCG......RNA missatger

..........UAGC..........RNA antimissatger

..........AUCG..........

..........UAGC..........

No formació deACC-oxidasa

P RC (ACCO) T P RC (ACCO) T

Gen ACC-oxidasa antisentit + mateix promotor que ACC-oxidasa planta

Hibridació

No traducció

No formaciód’etilè

Expressiósimultània

Retarda maduraciódels fruits

pTOM13 antisense tomato (ACC-oxidase) wild type

Ailsa tomato picked at 3 wk after onset of ripening and kept at room temp. for 3 wk

-produce ~ 5% of normal amount of ethylene

-fully ripen but don’t overripe and deteriorate

-produce normal amount of ethylene

-overripe and deteriorate

Consistència del fruit en el transport

Pectin in cell

walls holds

Pectin in cell walls

softened

Polygalacturonase

Enzyme (PG)

La Poligalacturonasa (PG) degrada les pectines i produeix

un reblaniment del fruit, deteriorant l’aroma i el sabor.

Amb el gen PG antisentit es

retarda el reblaniment del fruit

RNA antisentitTomàquets de “llarga vida”

Wild-typefruit

Antisense PG fruit

PG

act

ivity

Days from 1st colour change0 102 4 6 8

TOMAQUETS DE “LLARGA VIDA”

Gen de la planta Transgen en antisentit

......AUCG......RNA missatger

..........UAGC..........RNA antimissatger

..........AUCG..........

..........UAGC..........

No formació dePoligalacturonasa (PG)

P RC (PG) T P RC (PG) T

Gen PG antisentit + mateix promotor que PG planta

Hibridació

No traducció

No degradaciópectines paret

Expressiósimultània

No Tomàquets tous

Dioscoreophyllum cumminsii(Menispermaceae)

Gen regulat per etilè Proteïna dolçaFruita

tropical

VectorAgrobacterium

T-ADN

VectorAgrobacterium

PROMOTOR

PROMOTOR MONELINA

MONELINAE8

Proteïnes edulcorants

Proteïna E8

EtilèMaduració

Monelina

Properties of Sweet-tasting Proteins

ProteProte ïïnes amb gust dolnes amb gust dol çç

Modificació d'aromes

Clarkia breweri

Gen LIS (Linalool synthase)+ promotor proteïna E-8

(regulat per etilè)

Geranyldiphosphate (GPP) S-Linalool

MEP-pathway

3ª generació: (benefici pel consumidor)

Millora de les qualitats nutritives i producció de compostos que beneficien la salut i el benestar de l’home

Tipus d'objectiu Exemples

Qualitat nutritivaAliments funcionals

Aminoàcids essencialsEnriquiment en vitamina AEnriquiment en ferroEliminació d'al·lèrgensEliminació de toxines

Les plantes com a bioreactors

1)Productes d'alt consum

2) Productes d'alt valor afegit

Producció de plàstics biodegradablesProducció d'olis industrials

Producció d'hormones i fàrmacsProducció de vacunes i anticossos

Fitoremediació Plantes per recuperar sòls contaminats amb arsènic, metalls pesants i altres productes

Aliments funcionals i NutracAliments funcionals i Nutrac ééuticsutics

� Els aliments funcionals tenen efectes beneficiosos sobre una o varies funcions específiques de l’organisme, més enllà dels efectes nutritius habituals, sent rellevant per a la millora de la salut i el benestar o la reducciódel ris de contraure malalties.

� Sovint s’anomenen Nutracèutics , per entendre que assoleixen una doble funció nutritiva i farmacèutica

Aminoàcids essencials� Els animals i els humans no són capaços de fer 10

"aminoàcids essencials“. Han d'obtenir-los en la dieta:Arg, His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val

� El valor nutritiu de les proteïnes d'emmagatzematgede llavors és sovint limitada. Poden mancar un o mésaminoàcids essencials per a la salut humanaEx.: llavors de llegums no tenen Cys i Met;

altres llavors poden no tenir Lys

La patata és el quart cultiu més abundant a nivell mundial i s'utilitza per a l'alimentació, pinsos i producció de midó i alcoholContingut limitat en lys, tyr, met i cys

Patates transformades amb albúmina de llavors d'Amaranthus hypochondriacus, que té un bon balanç d'aminoàcids

Amaranthus hypochondriacus

p35S Nos AmA1

pGBSS Nos ’AmA1

Promotorconstitutiu

Expressió en tubercle(major producció)

GBSS (Granule-Bond Starch synthase) formació d’amilosa

Enriquiment en vitamina ALa deficiència de vitamina A afecta uns 800 milions de persones a tot el món.

A mes d’afectar la visió (500.000 nens cecs / any), afebleix el sistema immunitari

www.micronutrient.org

Children only:

Due to improper immune functioning

Xeroftàlmia = conjunt d’afeccions oculars associades al dèficit de Vit. A (sequera de la conjuntiva, opacitat de la còrnia, etc.)

Enginyeria metabòlicade carotenoides

Obtenció d'arròs daurat

RDR = 1000 equivalents de retinol(6 mg ββββ-caroté/día)

Vitamina A

Retinal

Retinol

Àcid retinoic

Enriquiment en vitamina A

β-caroté o provitamina A

Vitamin A

Phytoene ( 40C)

Lycopene

GGDP (20C)

Phytoene synthase ( psy)

Phytoene deshidrogenasa ( crt1)

ββββ-Carotene

Lycopene- ββββ-cyclase ( lyc)

Narcissus pseudonarcissus(Amaryllidaceae)

Erwinia uredovora(Bacteria)

(Phytoene desaturase)

Golden Rice Golden Rice schematic: nice example of bioengineering

Funding:Funding:

Rockefeller Foundation,Rockefeller Foundation,

Swiss Federal Institute Swiss Federal Institute

Of Technology,Of Technology,

European Community European Community

Biotech ProgramBiotech Program

Diterpè

Tetraterpè

L’arròs daurat (dos plasmidis binaris)

35SpNost NostGt1p psy crt1

Gt1p 35Sp35St 35Stlyc aphIV

+

Arroz normal

ArròsDaurat

Phytoene synthase (psy) Phytoene desaturase (crt1)

Lycopene- ββββ-cyclase (lyc) Hygromycin resistence (aphIV)

Promotor de glutelina (proteïna d’emmagatzematge en blat de moro i altres cereals) (Gt1p )

Nopalina (opina d’ Agrobacterium) terminator (Nost)Pèptid de transit (tp) de la RUBISCO (subunitat petita) SSU

tp

Arròs normal

psy de Narcissus psy de Zea mays

Enriquiment en vitamina A

Golden Rice1 Golden Rice2

Glu: rice glutelin Glut01 (Glu) promoter SSUcrtl: pea RUBISCO small subunit plastid transit peptide with Erwinia uredovora crtITerminator regions of A. tumefaciens nos Zea mays phytoene synthase (Zm psy ); Zea mays polyubiquitin Ubi–1 promoter Phospho-mannose isomerase ( PMI) selectable marker.

Golden Rice 1 contains about 1.6 µg of total carotenoids per gram of dry weight of grain. Golden Rice 2 contains as much as 37 µg of total carotenoids per gram of dry weight of grain, of which 31 µg/g are β-carotene

MÒDUL D’EXPRESSIÓ (gen quimèric)

TerminatorcrtPromotor Transit sequence

3ª generació: (benefici pel consumidor)

Millora de les qualitats nutritives i producció de compostos que beneficien la salut i el benestar de l’home

Tipus d'objectiu Exemples

Qualitat nutritivaAliments funcionals

Aminoàcids essencialsEnriquiment en vitamina AEnriquiment en ferroEliminació d'al·lèrgensEliminació de toxines

Les plantes com a bioreactors

1)Productes d'alt consum

2) Productes d'alt valor afegit

Producció de plàstics biodegradablesProducció d'olis industrials

Producció d'hormones i fàrmacsProducció de vacunes i anticossos

Fitoremediació Plantes per recuperar sòls contaminats amb arsènic, metalls pesants i altres productes

Vacunes Comestibles� El 20% de la població infantil no rep les

6 vacunes aconsellades per la OMS (diftèria, tos ferina, polio, xarampió, tètanus i tuberculosi), registrant-se uns 2 milions de morts a l’any en regions subdesenvolupades.

� La OMS estimula el desenvolupament de vacunes barates, orals i que no necessitin refrigeració

� Com alternativa a les vacunes injectables, hi hauria les vacunes comestibles (amb antígens expressats en plantes comestibles com ara plàtans, tomàquets, blat, arròs, etc.) C.J. Arntzen, Texas A&M University

Vacunes Comestibles

C.J. Arntzen et al. (2005) Plant-derived Vaccines and Antibodies: Potential and

Limitations. Vaccine 23, 1753-1756.

Mercat flotantde Bangkok (1991)

EdibleVaccines

Charles J. Arntzen

Vacunes Comestibles

DNA víric

Virus de l’hepatitis B

Plàtans portadorsde la vacuna contra l’hepatitis

El vector s’introdueixa la cèl·lula vegetal

Gen d’un patogen humàs'insereix en un vector

De fragments de fulles brollenplantes senceres que portenel gen del patogen humà

Menjant plàtans esDesencadena la respostaimmune al patogen

Agrobacteriumportador

del gen víric

Cèl·lula vegetal ambinformació genètica vírica

Plantatransgènica

Micropropagació

Puré deTomàquet amb

concentraciód'antigenconeguda

Forma farmacèutica

Vacunes Comestibles(avantatges)

� Les plantes productores poden créixer en el lloc d’aplicació

� La majoria de les espècies vegetals poden regenerar-se, utilitzant llavors de cultius anteriors

� Es redueixen les despeses, evitant dificultats logístiques de transport i refrigeració

� S’evita la utilització de xeringues, amb els riscos de contagis i despeses

� Plantes productores d’hirudina

Plantes transgèniques de colza,productores de hirudina

Llavors

Sangonera (Hirudo medicinalis)Hirudina

(Pèptid anticoagulant)Utilitzat en les trombosis

� Incrementar los niveles de un determinado compuesto.Aumentar el flujo metabólico hacia el compuesto de interés- Sobreexpresión genes etapas limitantes- Reducción del flujo hacia vías competitivas- Sobreexpresión de genes reguladoresInhibir el catabolismoIncrementar el número de células productoras

� Producir un nuevo compuesto� Reducir los niveles de un

determinado compuestoReducir del flujo en la ruta metabólica- Bloquear la etapa de la ruta biosintética- Incrementar el flujo de rutas competitivas- Suprimir expresión de genes reguladores Activar el catabolismo

Enginyeria Metabòlica

Biotech Crops Bringing Benefits to Agriculture, Growers and the Environment

• The Global Impact of Biotechnology

Pesticides registered by the U.S. Environmental Protection Agency will not cause unreasonable adverse effects to man or the environment when used in accordance with label directions.

Economic Return$27B cumulative net economic benefits at the farm level

Productivity$6.2B global value of biotech crops in 2006

Greenhouse Gas EmissionsReduced >9B Kg Carbon Dioxide Emission in 2005

Equal to removing 4M cars from the road for a year

Pesticide Reduction224M Kg (~500M lbs), 6.9% reduction

Source: Brookes, AgBioForum, 9(3),2006 ; NCFAP report, 2005; Ford Runge & Barry Ryan 2005

A World of Biotechnology Benefits

20152005

New TraitsNew

TraitsBetterFoodsBetterFoods

Greater BenefitsGreater Benefits

Global

Food

Production

Current Food

Production

Current Food

Production

MoreFood

LessPesticide

EnhancedTaste

IncreasedNutrition

ImprovedHealth

…the quality of our food

Biotechnology continues to improve…

1996

� Cultius més resistents a l'atac d'insectes, fongs o virus sense necessitat de pesticides

� Cultius resistents a herbicides

� Cultius tolerants a sequera i estrès mediambiental. Major aprofitament del sòl (ex.: excés de sal a terra)

� Millora de la qualitat nutritiva

� Millora de les característiques dels productes (conservació)

� Augment de la producció

� Disminució dels costos en agricultura

Arguments a favor dels transgènics

SALUT PUBLICA

� Resistència als antibiòtics

� Potencial generació de noves al·lèrgies

� Recombinació de virus i bacteris que poden originar noves malalties

Arguments en contra dels transgènics

MEDI AMBIENT

� Transferència de la característica transgènica a cultius natius o plantes silvestres

� Transferència horitzontal de gens

� Mort d’insectes no diana

SOCIETAT I ECONOMIA

� Propietat intel·lectual i patents

� Concentració empresarial

� Dependència de les multinacionals