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?
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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.
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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.
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¿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.
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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
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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Microcañón con partículas metálicas
rodeadas de ADN
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
RT-PCR análisis
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2. Transferencia del gen
El siguiente paso es transferir el gen aislado
al ADN del organismo receptor utilizando las
enzimas ligasas como "adhesivo".
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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).
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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Fig.1. Diagrama de la célula de
Agrobacterium tumefaciens
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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Fig.2 .- Plásmido Ti de Agrobacterium
tumefaciens
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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):
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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Fig.3.- Gen quimérico en el plásmido
Ti de Agrobacterium
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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:
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
36
Plantas resistentes a insectos mediante
Agrobacterium
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
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Superficie con transgénicos por países
Arroz transgénico Bt
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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
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
Papaya con resistencia al virus
anular
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Ensayos de Plantas GM por atributo
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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
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
Cultivos GM aprobados en USA
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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.
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
Áreas con Cultivos GM- 2008
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Efectos adversos reportados
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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.
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66
Referencias
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http://www.uwc.ca/pearson/biology/asex/asex.htm
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/
BIOTECNOLOGÍA VEGETAL
71
Muchas gracias!
“La mejor manera de enfrentar el futuro es creándolo” (P. Drucker)
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