Pseudoplusia includens Cultivos transgénicos Insectos que se combaten Barrenador del tallo (Chilomina clarkei Amsel, Lepidóptero) y el gusano cachón (Erinnyis.

Presentación del tema: "Pseudoplusia includens Cultivos transgénicos Insectos que se combaten Barrenador del tallo (Chilomina clarkei Amsel, Lepidóptero) y el gusano cachón (Erinnyis."— Transcripción de la presentación:

1 Pseudoplusia includens Cultivos transgénicos Insectos que se combaten Barrenador del tallo (Chilomina clarkei Amsel, Lepidóptero) y el gusano cachón (Erinnyis ello, Lepidóptero) entre otros, que afectan a la mandioca. Orugas defoliadoras Anticarsia gemmatalis, Heliothis zea y Pseudoplusia includens y Elasmopalpus lignosellus y Rachiplusia nu; Spilosoma virginica y Epinotia aporema (estos tres últimos en Argentina). Erinnyis ello Anticarsia gemmatalis

2 Ventajas de Bt  B. thuringiensis es naturalmente capaz de mantener los genes ICP (proteínas cristalinas insecticidas) diferentes sin sufrir pérdidas o rearreglos de genes.  Puede expresar esos genes en altos niveles, por lo que el 25- 30% de la proteína pueden ser proteínas ICP-s.  Los plásmidos de B. t. naturales como vectores de clonación para la construcción de nuevas combinaciones ICP que no contienen genes de resistencia a antibióticos u otros genes extraños indeseables. Las nuevas construcciones de B. t. consisten en sólo DNA de Bt. Además como los insecticidas de B. t. no tienen un amplio espectro de actividad, los insectos benéficos no mueren por la aplicación de la toxina de B. t. Esto incluye a los enemigos naturales de los insectos (predadores y parásitos) así como polinizadores benéficos como las abejas. Quizás la mayor ventaja es que Bt. no es tóxico para los humanos, animales y fauna.

3 Obtención de plantas transgénicas resistentes a la salinidad y a la sequía

4  La disponibilidad de agua y la salinización del suelo, constituyen dos de las limitantes más importantes para la productividad de las plantas de cultivo.  La salinidad reduce la capacidad de las plantas para absorber agua, ocasionando una reducción en el crecimiento, y como consecuencia, una disminución en el rendimiento (Munnz, 2002). INTRODUCCION

5 Se han desarrollado estrategias para aumentar el rendimiento en la producción agropecuaria. Se han desarrollado estrategias para aumentar el rendimiento en la producción agropecuaria. Entre estas estrategias está el riego artificial y el cruzamiento con genotipos que presentan tolerancia aumentada, pero no siempre es factible aplicarlas. Entre estas estrategias está el riego artificial y el cruzamiento con genotipos que presentan tolerancia aumentada, pero no siempre es factible aplicarlas. La Ingeniería Genética ha aportado la posibilidad de incorporar genes de otras o de la misma especie que demuestren aumentar la tolerancia a condiciones desfavorables. La Ingeniería Genética ha aportado la posibilidad de incorporar genes de otras o de la misma especie que demuestren aumentar la tolerancia a condiciones desfavorables. INTRODUCCION

6 La sequía es la causa de estrés en las plantas de mayor importancia a nivel mundial. La absorción de agua solo es posible cuando el potencial hídrico del suelo es mayor al potencial de la planta. Clasificación de las plantas según sus necesidades hídricas Hidrófitas Mesófitas Xerófitas Clasificación de las plantas según su tolerancia a las condiciones de salinidad del suelo Halófitas Glicófitas

7 Mecanismos de resistencia a la sequía  Mecanismo de escape  Mecanismo de resistencia estricta -Mantener la absorción de agua -Reducir la pérdida de agua  Mecanismo de tolerancia -Mantener la turgencia -Pérdida de turgencia

8 Mecanismos de resistencia a la salinidad  Mecanismo de resistencia estricto -Evita la absorción de iones tóxicos  Mecanismo de tolerancia - Eliminación de los iones tóxicos

9 Con la pérdida de agua se incrementa la concentración de solutos en la célula. Con la pérdida de agua se incrementa la concentración de solutos en la célula. Iones (K+, Ca+, Mg+ y Cl-) no pueden ser metabolizados y se acumulan. Iones (K+, Ca+, Mg+ y Cl-) no pueden ser metabolizados y se acumulan. Se afecta la actividad enzimática. Se afecta la actividad enzimática. Ejemplo: Enzimas que requieran K+ pueden afectarse si la concentración de este ion aumenta. Ejemplo: Enzimas que requieran K+ pueden afectarse si la concentración de este ion aumenta. Plantas expuestas a altas salinidades presentarán altas concentraciones de NaCl. Plantas expuestas a altas salinidades presentarán altas concentraciones de NaCl. Enzimas inhibidas por alta concentración de sal. Enzimas inhibidas por alta concentración de sal. Enzimas citosol: Activadas por K+ e inhibidas por Na+ Enzimas citosol: Activadas por K+ e inhibidas por Na+

10 Las células vegetales emplean: transporte activo primario (mediado por ATPasas) transporte activo primario (mediado por ATPasas) transporte activo secundario (mediado por canales) transporte activo secundario (mediado por canales) Sistemas de transporte de alta y baja afinidad: relación Na+/K+ Sistemas de transporte de alta y baja afinidad: relación Na+/K+ Un tipo de transportador de los iones Na+ y K+ es el HKT.Un tipo de transportador de los iones Na+ y K+ es el HKT. HKT (transportador de alta afinidad para K+) funciona acoplado al Na+. HKT (transportador de alta afinidad para K+) funciona acoplado al Na+. En arroz, se demostró que el suministro de Na+ y Ka+ está mediado por diferentes transportadores: En arroz, se demostró que el suministro de Na+ y Ka+ está mediado por diferentes transportadores: - OsHKT: involucrado en el transporte de Na+ - OsHKT1: media el suministro de Na+ en las raíces cuando éstas plantas son deficientes en K+

11 Existen dos mecanismos para controlar la concentración de Na+ y prevenir su exceso en el simplasto de las células: 1- Permite la acumulacion de Na+ en la vacuola mediada por antiportes Na+/K+ localizados en el tonoplasto. 2- Permite el transporte de Na+ hacia el apoplasto a través de antiportes Na+/K+ ubicados en la membrana citoplasmática. En plantas superiores se ha identificado un antiporte Na+/K+ (SOS1: salt overly sensitive 1) que juega un papel importante en la etrusión del Na+ desde las células de la raíz bajo condiciones de estrés salino. El eflujo de sodio a través del antiporte SOS1 es vital para la tolerancia a sales de las células meristemáticas de la raíz, ya que éstas no tienen grandes vacuolas para compartimentalizar el Na+.

12 El estrés salino rompe la homeostasis iónica de las plantas al provocar un exceso tóxico de Na+ en el citoplasma y una deficiencia de iones como el K+ Mecanismos para prevenir la acumulación de sodio en el citosol: 1- El Na+ entra a la célula de la planta puede ser restringida por sistemas selectivos de iones. Se han clonado los genes HKT1 y LCT1, y se sabe que permebializan sodio cuando son expresadas en levaduras, sugiriendo que ellos tambien pueden ser un candidato de transportadores para la entrada de sodio.

13 2- El Sodio internado en la célula puede ser almacenado en la vacuola. La vacuola es una estrategia eficiente para el ajuste osmotico producto de un estrés salino. Se han clonado antiporters Vacuolar de Na+/H+. Los antiporter Na+/H+ funcionan en la membrana plasmática exportando Na+ desde la célula. 3- El sodio en el citosol puede ser exportado nuevamente al apoplasto. Se espera que los antiporters Na+/H+ de la membrana plasmatica realicen eficientemnente esta función.

14 Vía de señalización que regula la homeostasis iónica y la tolerancia a la salinidad en Arabidopsis thaliana. El disparador es una alta concentración de Na+ en el intra o extra celular que provoca una señal citoplasmática de calcio. El calcio se une a una proteína miristoilada que es codificada por el SOS3 (sensible al exceso de salinidad) que percibe esta señal. El SOS3 interactúa físicamente y activa a SOS2 que es una proteín- kinasa. Activada SOS2 luego regula la actividad y expresión de SOS1 que es una nueva clase de antiporter Na+/H+ que funciona en la membrana plasmática exportando Na+ desde la célula. El SOS2 también interactúa con un transportador de Na+ el HKT1. En Arabidopsis al suprimir SOS2 o SOS3 se incrementa la acumulación de Na+.

15

16 Producción de plantas hortícolas tolerantes a la salinidad En muchos artículos se describe el efecto de la expresión de diversos genes sobre el nivel de tolerancia a la sal en plantas transgénicas. El aumento de la tolerancia se puede conseguir mediante la expresión de genes implicados en funciones muy diversas (homeostasis iónica, ajuste osmótico, osmoprotección, respuesta a estrés, etc). Cuántos genes habrá que introducir en una planta transgénica para conseguir el nivel de tolerancia deseado? Hay dos posturas: - la transformación no es la herramienta adecuada o que se precisaría la transferencia y expresión de múltiples genes - la expresión de un simple transgen será suficiente.

17 La sobreexpresión del gen hahb-4 de girasol confiere tolerancia al estrés hídrico en Arabidopsis thaliana ( Dezar, C.; González, D.; Gago, G. y Chan, R. 2002) Aislaron genes de girasol pertenecientes a la familia de genes Hd-Zip La expresión de hahb-4 está regulada por la disponibilidad de agua y la hormona ácido absícico (ABA). la función de ese gen podría estar relacionada con la respuesta de la planta al estrés hídrico. se transformaron plantas de Arabidopsis thaliana de forma tal que las mismas sobreexpresen el gen hahb-4 de girasol bajo el control del promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor. Luego se analizó el fenotipo resultante en condiciones normales de crecimiento y en condiciones en que las plantas se encuentren sometidas a la falta de agua.

18

19

20 Las plantas que portan el transgen tienen: tallo más corto, hojas redondeadas, raíces más largas germinan más rápido en condiciones normales de crecimiento. El acortamiento del tallo se debe principalmente a una inhibición de la expansión celular. Estas características indicarían que el producto del gen estaría actuando como un inhibidor de la elongación y expansión celular. Estos resultados permitieron concluir que hahb-4 es un gen involucrado en la respuesta de la planta al estrés hídrico, y que su función especifica sería la de generar cambios fenotípicos favorables a la tolerancia a esta condición adversa.

21 La eliminación de las proteínas ABI1 y HAB1 aumenta la resistencia de la planta en condiciones de sequía y salinidad (Rodríguez P., 2007) Eliminar las proteínas ABI1 y HAB1, reguladores negativos de la hormona ABA (ácido abscísico), lo que conduce a un reforzamiento de la señal hormonal y aumenta la resistencia de la planta en condiciones de sequía y salinidad. Trabajaron con Arabidopsis thaliana No se introduce en la planta ningún gen foráneo, sino que se actúa directamente sobre genes de la misma planta. Modificaron la secuencia de ADN de la planta, impidiendo la expresión de esas proteínas. Las variedades modificadas con la aplicación de esta técnica no presentan ningún cambio de desarrollo vegetativo ni de producción de semillas en condiciones hídricas normales.

22 Efecto de los genes tsw12 y HAL1 sobre la tolerancia a la salinidad en plantas transgénicas de tomate (Pineda B, García- Sogo B, Navajas P, Roig L, Pintor J, Serrano R, Bolarín M, Moreno V, 2003) Se obtuvieron plantas transgénicas de tomate con seis genes relacionados con tolerancia a la salinidad: HAL1, HAL2, HAL3 y phal3, así como tas14 y tsw12. Las líneas transgénicas presentan un mayor crecimiento en condiciones salinas y mayor tolerancia a la salinidad.

23 Resistencia a herbicidas

24 Importancia de la aplicación de herbicidas en cultivos agrícolas

25  Medios físicos (labrar, quemar, control manual)  Culturales (preventivos, rotación de cultivos, cubiertas vegetales)  Biológicos (enemigos naturales, pastoreo, alelopatias)  Químicos (Herbicidas, el método mas empleado y eficaz) Control de Malezas: Herbicidas:  Altamente fiables y eficaces, control completo, amplia gama de especies, inocuos en los cultivos que protegen.  Fácil manejo, no requieren maquinaria especial  Económicamente rentables.  Menor costo por unidad de superficie.  Agronómicamente versátiles: como y cuando controlar.  Controversia: reemplazo de múltiples herbicidas por cultivos resistentes específicamente a un herbicida.

26 Resistencia de cultivos a herbicidas: ventajas Mejora el rendimiento de cultivos agrícolas y aumenta eficiencia de recolección. Aumento de la calidad de los productos: ausencia de sustancias tóxicas, olores, cosecha de semilla limpia. Menores costos de control de malezas. Manejo del cultivo mas simple. Reducción de otras plagas (malezas son huéspedes de gusanos, etc)

27 Inhibidores de la sintesis de aminoacidos. -Inhibidores de la Acetolactato Sintasa (ALS) -Inhibidores de la 5-enol-piruvil-shiquimato-3 fosfato sintasa (EPSPS) -Inhibidores de la glutamina sintetasa (GS). Inhibición de la fotosíntesis en el Fotosistema II (Bromixynil) Inhibición de la sintesis de lípidos. -Inhibidores de la Acetil Co A Carboxilasa Herbicidas de tipo auxínicos (2,4-D). Inhibidores mitóticos: Dianitroanilnas Modo de acción de los herbicidas

28 Aplicaciones de la ingeniería genética

29 Estrategias seguidas para lograr resistencia a herbicidas se basan en la manipulación del metabolismo y de los procesos de desarrollo de la planta mediante ingeniería genética  Sobre-expresión de la molécula diana del herbicida.  Destoxificación del herbicida por plantas. Las moléculas fitotóxicas son metabolizadas a compuestos inocuos.  Introducción de genes bacterianos que destoxifican al herbicida.  Alteraciones en el sitio de acción del herbicida en la planta, por lo que la ruta metabólica no se ve afectada.

30 GLUFOSINATO DE AMONIO (BASTA) Es un potente herbicida no selectivo, post-emergente que es altamente efectivo y rápidamente biodegradado. Modo de acción: Es un análogo de la glutamina que inhibe la Glutamina sintetasa ( y la biosíntesis de los aa). La inhibición de la GS provoca una rápida acumulación de los niveles de amonio intracelulares y la disociación de la estructura de los cloroplastos. Inhibición de la fotosíntesis y la muerte celular.  La GS cataliza la reacción: ac. L-glutámico + NH 4 OH + ATP  L-glutamina + ADP + Pi + H 2 O

31 Plantas transgénicas resistentes al herbicida BASTA:

32 GLIFOSATO Modo de acción:  En las plantas se mueve por floema.  Poca residualidad en el suelo.  Amplio espectro.  Inhibidor competitivo de la 5-enol-piruvil- shiquimato-3 fosfato sintasa (EPSPS). Vía de biosíntesis de aminoácidos aromáticos.  Se acumula el ácido Shiquímico-3-fosfato.  El glifosato se une a esta enzima inhibiendo la producción de aminoácidos, matando la plantas.

33 Cultivos resistentes a los herbicidas más utilizados mundialmente

34  Resistente al herbicida glifosato.  Herbicida de amplio espectro y se degrada rápidamente en contacto con el suelo  Argentina: aprobó su consumo y comercialización.  Equivalentes en composición y calidad nutricional a la soja no transgénica. Soja y Algodón Round-up Ready (RR)

35 Soja RR Soja Round-up Ready (RR) Soja no transgénica con malezas

36

37 Casa de cultivo Campo Plantas Transgénicas de soja resistentes al herbicida BASTA en casa de cultivo y campo

38 Plantas Transgénicas de arroz resistentes al herbicida BASTA en casa de cultivo CONTROLESCONTROLES

39 Plantas transgénicas de caña de azúcar resistentes a la aplicación del herbicida BASTA en casa de cultivo CONTROLES CLONES QUE EXPRESAN EL GEN bar

40

41 Superficie cultivada

42 Riesgos ecológicos y de desarrollo de resistencia a herbicidas en las malezas relacionadas.

43 Resistencia de malezas a herbicidas  Resistencia: habilidad del individuo para sobrevivir a una dosis que pudiera ser letal para su especie.  Tolerancia: habilidad innata de la especie.  Al utilizar el herbicida sometemos a la población a un proceso de selección. Como resultado nos quedan las plantas más resistentes.  Se ha producido un gran crecimiento en casos de resistencia, 315 casos a nivel mundial.  Las opciones para controlar malezas resistentes se ven limitadas cada día más, porque aparecen especies con resistencias múltiples.  En Argentina la evolución de la resistencia se convirtió en una realidad.  Se ha encontrado en el país un sorgo de alepo resistente al glifosato.

44 Riesgos para el ecosistema 1. No se puede predecir el comportamiento de los transgenes luego de liberados al ambiente. 2. Supermalezas, hibridación con especies silvestres y aumento del uso de herbicidas. 3. Disminución de malezas que estimulan el control biológico. 4. Erosión genética y reducción de la biodiversidad por OGM. 5. Resistencia a otros agroquímicos (plaguicidas).

45 Resistencia a herbicidas para selección in vitro

46 Agentes de selección más comunes utilizados para la selección in vitro en caña de azúcar y arroz Gen marcador: codifica para un atributo fácilmente detectable para seleccionar las células transgénicas de las no transgénicas (Herbicidas, antibióticos)

47 Segunda Generación

48 Ejemplos: Arroz Dorado «arroz dorado», desarrollado por Dr. Ingo Potrykus ( Instituto Tecnológico Suizo, Zurich. «arroz dorado», desarrollado por Dr. Ingo Potrykus ( Instituto Tecnológico Suizo, Zurich. Arroz modificado por ingeniería genética para producir carotenoides con el objetivo de suplir la deficiencia en Vitamina A.Arroz modificado por ingeniería genética para producir carotenoides con el objetivo de suplir la deficiencia en Vitamina A. Motivo: de más de 120 millones de personas malnutridas debido a la ingesta de dietas basadas en este cereal, con escaso o nulo consumo de frutas, legumbres y alimentos de origen animal.Motivo: de más de 120 millones de personas malnutridas debido a la ingesta de dietas basadas en este cereal, con escaso o nulo consumo de frutas, legumbres y alimentos de origen animal. Marzo de 2000 / BIODIVERSIDAD 23 / 13.

49 Rutas metabólicas: Arroz  El arroz sólo posee parte de la ruta metabólica que produce la provitamina A.  Dr. Potrykus y sus colaboradores introdujeron en el mismo los genes que codifican las enzimas fitoenosintasa y licopeno ciclasa (ambos aislados del narciso) y la fitoeno desaturasa (aislado de Erwinia uredovora) completando así dicha ruta metabólica.

50 Oleaginosas  La colza (Brassica napus) y de la mostaza parda (Brassica juncea)  De uso en China, India, Sudeste asiático, África y América Latina  También enriquecidas en Vitamina A.

51 Deficiencia de hierro.  El problema de la deficiencia en hierro de la población cuya dieta se basa en el arroz se intenta aliviar mediante la obtención de variedades transgénicas de dicho cereal, que expresan los genes que codifican proteínas que acomplejan y almacenan hierro como la ferritina de judía (Phaseolus vulgaris L)

52 Vitamina E  Los tocotrienoles y tocoferoles (vitamina E) no se sintetizan en los mamíferos, por lo que se consideran un componente esencial de su dieta.  La síntesis de tocotrienol comienza con la condensación de ácido homogentísico y geranil-geranil difosfato.  Se ha clonado el gen responsable de esta reacción de condensación en arroz, cebada y trigo.  La expresión del gen de cebada en maíz ha servido para producir una variedad transgénica que posee seis veces más tocotrienol.  Actualmente, se está evaluando el efecto in vivo de estos derivados de la vitamina E

53 Flavonoides  Son metabolitos secundarios de las plantas que se caracterizan por poseer propiedades funcionales entre las que destacan su capacidad antioxidante y su acción vasodilatadora

54 Flavonoides. Metabolismo  Recientemente, se ha clonado el gen de tomate que codifica la hidroxicianomil-Co A quinasa,un enzima clave para la síntesis de ácido clorogénico (flavona que previene la aparición de aterosclerosis).  Dicho gen se ha expresado en múltiples copias en tomates transgénicos de manera que éstos tienen un aumento del 10 por 100 en los niveles de ácido clorogénico.  Este pequeño incremento aumenta grandemente la capacidad antioxidante de los frutos.

55 Aceites  La mejora de la composición nutricional de los aceites se ha abordado por técnicas de ingeniería genética.  Liberación comercial de plantas de algodón modificadas genéticamente con altos contenidos de ácidos oleico y esteárico y bajos niveles de palmitato dirigidas a la producción de margarinas.

56 Ácido Grasos  Los ácidos grasos polinsaturados (PUFA) como el ácido araquidónico y el eicosapentanoico son precursores de las prostaglandinas, participan en el desarrollo del cerebro y de la retina.  Se asocia con la prevención de enfermedades cardiovasculares.

57 Ácido grasos.  Recientemente, se han descrito plantas transgénicas de Arabidopsis thaliana capaces de sintetizar estos compuestos.  Los mismos autores anuncian la in- mediata producción de plantas transgénicas de soja capaces de producir PUFA.

58 tercera Generación

59 Biorreactores Un biorrector es un entorno cerrado y controlado para dirigir catalizadores biológicos con la finalidad de obtener moléculas de interés con la máxima ficiencia Dentro de las aplicacions de los biorrectores tenemos: La utilización de plantas transgénicas para la producción de anticuerpos. La utilización de plantas transgénicas para la producción de anticuerpos. Producción de compuestos de interés alimenticio o medicinal. Producción de compuestos de interés alimenticio o medicinal. Dado que las plantas proporcionan sistemas masivos y muy baratos de producción se puede pensar en ellas (plantas transgénicas) para utilizarlas en el caso de que se necesiten grandes volúmenes de producción, como puede ser en el campo de los aminoácidos, o las vitaminas.Dado que las plantas proporcionan sistemas masivos y muy baratos de producción se puede pensar en ellas (plantas transgénicas) para utilizarlas en el caso de que se necesiten grandes volúmenes de producción, como puede ser en el campo de los aminoácidos, o las vitaminas.

60 Estimación de los costos de producción en función del nivel de expresión de IgA en distintos sistemas.

61 Anticuerpos monoclonales plantas Los anticuerpos se producen en organismos transgénicos y en biorreactores tanto con bacterias como con células de mamífero Los organismos transgénicos (ratón, cabra, pollo, plantas) y las células recombinantes de mamífero (CHO, NS0) son los más adecuados para producir anticuerpos completos.

62 APLICACIONES La sobre expresión constitutiva de genes involucrados en la ruta biosintética de metabolitos secundarios podrá aumentar significativamente la cantidad de compuestos útiles producidos en plantas. Los avances en esta área permitirán aumentar las productividad de metabolitos secundarios obtenidos en cultivos in vitro con la consiguiente reducción de costos de producción o logrando la producción de nuevos compuestos.