LA BIOTECNOLOGIA e INGENIERIA GENETICA : DEFINICIONES BASICAS , DESARROLLO y APLICACIONES PARA LA MEJORA DE BIENES Y SERVICIOS AGROPECUARIOS W. Roca Seminario Arequipa , Agosto 20,2012 Síntesis Vacunas EN LA AGRICULTURA . . . Se perfilan numerosos desafios para el futuro desarrollo de la agricultura • Reduccion en la superficie de tierra cultivable per capita • Erosión y degradación de suelos : desertificacion, salinidad • Limitaciones en la disponibilidad de agua para irrigación (*) .Cambio climatico: variabilidad - eventos extremos • Excesiva presión de agroquímicos sobre el medio ambiente • Agotamiento paulatino del potencial de mejoramiento genético actual (*) Se anticipa una crisis en la disponibilidad de recursos acuíferos en los próximos 20 años. Se proyecta un deficit grande para satisfacer la demanda de cereales en Datos en Millones de TM paises industrializados y en Se requiere un aumento de la paises en producción del 45% en 30 años desarrollo Tomado de: James, C. ISAAA Briefs Nº 17, 2000. Posibles escenarios de la influencia de factores criticos sobre la volatilidad de los precios de productos agrícolas (*) II . Porcentaje de aumento o disminución del precio de productos agrícolas cuando el rendimiento anual de los cereales aumenta o disminuye 5% Productos Trigo Arroz Granos (Maíz) Oleaginosas-Harina Carne-pollo Oleaginosas-semilla Rendimiento anual de cereales: + 5% - 18% - 18% - 17% - 13% - 9% - 5% (*) OECD-FAO Agricultural Outlook 2011-2020 Rendimiento anual de cereales: - 5 + 25% + 25% + 24% + 18% + 13% + 7% Principales alimentos importados por el Perú en el 2010 (*) Producto Maíz duro amarillo Trigos Soya: tortas, harinas, otros Aceite de soya Azúcar de caña o remolacha Arroz blanqueado Cebada Malta sin tostar Manzanas frescas Lentejas Leche: polvo, con/sin azúcar Preparaciones alimenticias (*) SUNAT, 2011 Ton. M. 1’904,298 1’687,195 1´173,133 343,140 196,204 94,663 90,088 58,672 47,750 32,164 24,974 17,969 PERU: Área de cultivo perdida debido a eventos climáticos extremos entre 1995 y 2007(*) Papa Maíz amiláceo Plátano Maíz amarillo duro Arroz Cebada-grano Frijol Haba-grano (*) MINAG, Dic. 2010 80,000 Has 59,000 41,000 38,000 30,000 24,000 13,000 12,000 Trigo Yuca Arena-forraje Papaya Frijol Castilla Caña de azúcar Quinua 11,000 Has 11,000 10,000 5,000 4,000 4,000 4,000 Manejo de las papas nativas de Tayacaja, Huancavelica, hace 30 años y actualmente (*) (*) S. De Haan & H. Juarez, CIP (2008) Polilla Guatemalteca Amenazas al cultivo de papa , exacerbadas por el cambio climático. Heladas Gorgojo de los Andes Polilla de los Andes Reproducción sexual (Variabilidad y virulencia) Altiplano (barrera) Verruga Por M.Gutierrez (UNALM,2012) Rancha cepa A1 Rancha cepa A2 Producción mundial de alimentos (109 Tm/año) El incremento de la producción agrícola no puede sustentarse indefinidamente en las tecnologías actuales Tomado de: Tilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999. La utilización incremental de insumos agronómicos al ritmo de la demanda de alimentos podría conducir a tensiones insostenibles para los agroecosistemas % Aumento del precio (2010-2050) Cambios en el Precio de los Alimentos (2010-2050) (%) Fuente: Nelson et al. (2010) Efecto del clima Efecto económico El mejoramiento convencional tiene un límite teórico El Banco Mundial reporta que los rendimientos en granos a nivel mundial aumentaron a una tasa anual de: 2.1% durante los años 80’s Menos de 1.0% en los años 90’s (McCalla, 1999) que depende Algunas evidencias indican de la amplitud que los rendimientos agrícolas están entrando a una meseta, e incluso de la base declinando, como es el caso de algunos genética sistemas de arroz y trigo . (James, 1999) Es necesario usar todas las tecnologias actuales y futuras, . Contribuir a aumentar la producción de alimentos y compensar el descenso de productividad y la reducción de tierra cultivable incluyendo la biotecnologia moderna . • Contribuir a aumentar la calidad nutricional Los OGMs deben tenerse en cuenta como parte de la solución. • Contribuir a aumentar el valor agregado • Contribuir a disminuir la degradación del medioambiente La Biotecnologia La biotecnologia comprende un conjunto de tecnologias que utilizan organismos vivos ( plantas, animales, microorganismos ) , o partes de ellos, para desarrollar productos , procesos o servicios . Los avances logrados ultimamente en la ingenieria genetica,, la clonacion de genes y organismos , y la genetica genomica,, entre otros , han dado origen a lo que hoy genomica conocemos como biotecnologia moderna moderna.. La Ingenieria Genetica Manipulacion del ADN y los genes , y su uso en la modificacion genetica de organismos vivos • • mediante las tecnicas de recombinacion y clonacion molecular . Se basa en el conocimiento de la estructura y funcion de los genes . •. La Molecula de ADN : denominador comun y base física de la biotecnologia moderna Alfabeto = 4 letras (A-T,C-G) ( universal ) Codigo genetico =palabra de 3 letras (universal) Vocabulario = 64 palabras (universal) GEN DNA James Watson ,Francis Crick (1953 ) Estructura y funciones basicas de los genes Replicación Transcripció Transcripci ón Reversa Transcripción Translación (traduccion traduccion)) La tecnologia del ADN recombinante 1- Cortar los ADNs de dos especies diferentes usando la misma “enzima de restricción “ ( EcoRI) Paul Berg 1972 5’ GTGCCGGTTGAATT 3’ CACGGCCAAC CCGCGATCGTAAAC 3’ ADN de TTAAGGCGCTAGCATTTG 5’ plásmido 5’ GTGCCGGTTGAATT 3’ CACGGCCAAC CCGCGATCGTAAAC 3’ ADN del TTAAGGCGCTAGCATTTG 5’ virus SV40 2- Acoplar los ADNs cortados usando una “enzima de ligación” 5’ GTGCCGGTTGAATTCCGCGATCGTAAAC 3’ 3’ CACGGCCAACTTAAGGCGCTAGCATTTG 5’ ADN recombinante Clonacion de genes El ADN del gen se aisla del donante y se inserta en plamidos de bacterias que contienen factores de resistencia a un antibiotico antibiotico.. Clonar el gen implica hacer copias identicas de los genes en medio de cultivo bacterial bacterial.. El medio permite solo el crecimiento 5 de bacterias conteniendo el plasmido con el gen de interes interes.. En este caso, el gen puede o no ser GM. R ADN Genes utiles de la biodiversidad biodiversidad,, aislados y clonados Genes Fuente Uso R Ry Rpi--blbl Rpi Grol Rx S. demissum S. stoloniferum S. bulbocastanum S. spegazzinii S. andigena Resistencia a tizón tardío Resistencia a PVY Resistencia a tizón tardío Resistencia a nemátodo Resistencia a PVX Defensina GLS Bt-- Cry 1 Bt Osmotina,, Lizosima Osmotina Meg 1 RNA i ( antisentido antisentido)) Maca Mashua B. thuringensis Arabidopsis Maiz Papa cultivada Resistencia a tizón tardío Resistencia a tizón tardío Resistencia a insectos Resistencia a tizón tardíö Rendimiento ( semilla ) Almidon--amilopectina Almidon La Transformacion Genetica Consiste en la insercion e integracion estable de genes caracterizados y especificos en el ADN del organismo receptor , usando las tecnicas de ingenieria genetica y clonacion de genes y de celulas . Se trata de un “mejoramiento “mejoramiento genetico de precision”. LA TRANSFORMACION GENETICA EN LA NATURALEZA EL TRANSGEN : Construccion genetica para usar en la transferencia de genes por ing.genetica Construccion del transgen Gen de selección PROMOTOR - Iniciación de la lectura - Expresión (duracion duracion)) - Expresión en tejidos/organos tejidos/organos Gen de interés MENSAJE EXPRESION PROTEINA Gen marcador TERMINADOR Terminación de la lectura Procedimiento para la transformacion genetica de cultivos Plantas Aislamiento de explantes (hojas) Regeneración de plántas Co-cultivo de los explantes (hojas) con A. tumefaciens por 16-24 horas a 22°C, en oscuridad 2 - 6 semanas Heridas A. tumefaciens + gen foráneo Regeneracion de plantas transformadas mediante el cultivo in vitro de células células y tejidos Embrio Embri ogénesis som somáática Organogéénesis Organog Evaluacion de las plantas transformadas 1. Comportamiento del transgen: Localización, número de copias y expresión primaria (RNAm, proteína, interacciones) 2. Toxicidad del producto (proteina) 3. Alergenicidad del producto ( proteina) 4. Comportamiento agronómico 5. Impacto en organismos no-blanco 6. Flujo de genes 7. Impacto socio-economico Evaluacion molecular de las plantas GMs, Selección de plántulas Transgen en transgénicas el ADN genómico de la planta 1.Presencia del 1.Presencia gen insertado (Southern Blot) 2.Expresión del 2.Expresió gen insertado (Western Blot) Uso del gen GUS: Marca la presencia del transgen en las células Evaluacion de resistencia transgenica usando genes de especies silvestres (S.bulbocastanum (S.bulbocastanum)) para vars vars.. comerciales de papa El gen Rblb confiere resistencia a “todas la razas conocidas” de P. infestans.( Rancha de la papa) La variedad Kathadin transformada es resistente a tizón tardío. ABC: 3 genes candidatos (B es el Rblb ), D: no transformado, E: no transformado, no inoculado Song et al., 2003. PNAS 100(16):9128–9133 Pruebas de campo confinadas de papa ( Kathadin) transgénica (gen Rblb) resistente a la Rancha Control Convencional Transgénico Maíz resistente a sequía 1 - 2 años 3 - 4 años 3 - 4 años Transferencia convencional y biotecnologica de genes DONANTE DE GENES Mejoramiento por Hibridación (convencional) RECEPTOR DE GENES X RESULTADO Selección Mejoramiento de Precision (Ing. genética ) 33 Manejo del flujo de genes Separación por tiempo de siembra (varía con el cultivo) Separación por distancias (varía con el cultivo) Genes de mitigación Separación geográfica ORGANISMO TRANSGENICO ( OVM , OGM) Son organismos vivos( planta, animal o micro-organismo) que han sido modificados mediante las tecnicas de transformacion genetica , y expresan rasgos nuevos , o rasgos existentes modulados . Los primeros OGMs fueron microorganismos (mediados - finales de los 1970,s ); luego siguieron las plantas y los animales ( comienzos de los 1980,s ) Lo que permite el mejoramiento de precision de los cultivos usando ingeniería genética Permite agregar una nueva característica a una variedad conocida , adaptada y acepada por agricultores y consumidores , con el objetivo de reparar un problema de la var. , como es falta de resistencia a una plaga o enfermedad, o la falta de tolerancia a heladas o la sequia . Debido a esto, la siembra de esta variedad ya no resulta rentable porque ya no rinde suficiente ,o la cosecha tiene mala calidad por lo que su demanda ha caido, o que requiere la aplicación excesiva de pesticidas , lo que es muy costoso y ademas contaminante para suelos , aguas , y para la gente. Permite tambien corregir las características existentes en los cultivos, ej. reducir las sustancias toxicas, alérgenicas, retardar la maduración de los frutos, y otros….. Clases de los cultivos transgenicos actuales • Rasgos que brindan ventajas a los agricultores en la fase de producción , en el campo, sin cambiar el producto final. Contribuyen a reducir los costos de produccion. – tolerancia a herbicidas – resistencia a plagas o patógenos – animales con índice de crecimiento mas alto y eficiente; mayor producción de leche o lana; • Rasgos que aumentan el valor del producto agrícola final, o la cosecha – – – – frutos con maduración retardada Semillas conperfiles de aceites mejorados ( Omegas) Flores de colores novedosos Semillas / tuberosas biofortificados o con mejoras en su nivel nutricional • Rasgos de valor agregado: Productos como proteínas farmacéuticas o industriales en plantas o animales usados como “biofábricas”. – Producción iducstrial de farmacos o de vacunas – Producción industrial de aceites o plásticos biodegradables, otros Comentarios sobre los cultivos GM • En el 2011 se cultivaron 160 M has (+10% de la superficie cultivada a nivel global); en 29 paises ( el 50% fueron paises en desarrollo) . Mayoritariamente los cultivos GM actuales a nivel comercial son los llamados “commodities” . Todavia son muy pocos los cultivos GM criticos para la seguridad alimentaria de sectores de escasos recursos en paises en desarrollo . > Promover cultivos y rasgos de importancia local/regional : seguridad alimentaria , nutricion y desarrollo industrial > Aumentar de la inversión en CTI . > Asistencia técnica a agricultores > Reforzar los programas nacionales de innovación agraria Impacto ambiental y economico de los cultivos transgenicos ( 1995 – 2011 ) 1.Uso de pesticidas : reduccion de 443 millones Tons de pesticida y > 18 % del impacto ambiental asociado(*) 2.Emisiones de C02 : reduccion de 19 millones de Kgs de C02 liberados al ambiente : Equivale a retirar 9 millones de automoviles de las carreteras por un anho (*). 3. Ingreso global agricola: Aumento en US$ 78,000 millones (*) 4.Por adopcion de algodon Bt en la India (**): 24 % de aumento del rendimiento 50% de rentabilidad para pequenhos agricultores 18% de aumento del estandard de vida de pequenhos agricult. ________________________________________________________ (*) Brooks, et al , 2011 ; (**) J.Kathaga & M.Quaim , 2012. Acceso a las herramientas de la biotecnología moderna • Las tecnologías para producir OGM y muchos de los genes útiles han sido desarrolladas y patentadas en países industrializados. • Existe una preocupación de que estas tecnologías y genes no estarán al alcance de los agricultores en el mundo en desarrollo. • Debemos tener en cuenta que las patentes iniciales en biotecnologías fueron registradas hace cerca a 20 años , por lo tanto, estaran expirando pronto, y de libre disposicion • Paises en desarrollo ya estan iniciando su propia industria para el desarrollo local de transgenicos : China, India , Brasil.