Biotecnologie agrarie e ambientali:
gli "OGM "
Piero Morandini
Dipartimento di Bioscienze
Università di Milano
Un bel carattere
Spighetta in una pianta selvatica
matura:
i semi cadono a terra entro pochi
giorni.
Spighetta in una pianta coltivata
matura:
i semi rimangono per anni
attaccati alla spighetta. Si staccano
solo con un vigoroso trattamento
(trebbiatura).
Orzo selvatico - coltivato
coltivato:
...TCATGAAATGT...
selvatico:
...TCATGCAATGT...
Promotore
La differenza?
La differenza nel gene?
1 gene su 30.000
1 lettera su 15.000
Regione trascritta
Idealmente basta il cambiamento di una sola base
sull’intero genoma (300 milioni di basi) per
stravolgere la riproduzione della specie
Conseguenze della
sindrome?
Cosa succede quando una spiga di
un cereale coltivato cade a terra?
(non disperde e dormienza ridotta)
Duplice maledizione:
à Germinazione al tempo sbagliato
à Affollamento e competizione
Piante di mais "volontarie" a fine ottobre
Piante di mais volontarie a metà novembre
Alta densità di piante, già danneggiate dal
freddo
à Non hanno alcuna possibilità di
contribuire alla prossima generazione
Una conseguenza:
à rischi per l’ambiente
Quelle che non germinano ma rimangono
per terra…
marciscono o sono mangiate
Analogo discorso per piante ornamentali e animali
Molte piante ornamentali presentano mutazioni
Rosa canina (selvatica)
Rosa coltivata
Pianta coltivata = pianta naturale?
Accumulo di mutazioni dannose per la pianta, ma favorevoli
all’uomo
Seme trattenuto a maturità della spiga (frutto)
Riduzione del contenuto di tossine (patogeni…)
Dimensioni del frutto/seme/parte commestibile
Nanismo/accestimento
Dormienza del seme (infestanza, permanenza..)
Richieste nutrizionali (fertilizzanti…)
Acqua, luce…
Ia conclusione: le piante coltivate non esisterebbero
se l’uomo non le avesse selezionate e propagate
Geneticamente Modificato?
Le mutazioni sono relativamente frequenti e spontanee in natura
Le mutazioni sono eventi “istantanei” successivamente sottoposti a selezione
genitore 1
CpB144
Genitore
2
Creso è un frumento duro creato tramite bombardamento con Raggi
X. La pianta è più bassa e resiste meglio all’allettamento
Campo sperimentale: 200m diametro
Sorgente Co-60 al centro 89 TBq
IIIa conclusione: molti metodi “innaturali” e
“grossolani” sono usati nello sviluppo varietale
Uso di raggi
gamma per
produrre
nuove varietà
Institute of Radiation
Breeding
Ibaraki-ken, JAPAN
http://
www.irb.affrc.go.jp/
Rischi per la salute e l’ambiente?
• Oltre 2000 varietà prodotte per “mutation breeding”
• Migliaia di altre prodotte con tecniche che causano
mutazioni (colture cellulari)
• A queste varietà si devono applicare le obiezioni
mosse alle piante transgeniche (i cosiddetti OGM)
• Dal punto di vista scientifico ha senso discutere sul
prodotto, non sul metodo
L’unica cosa rilevante è il prodotto:
è dannoso per l’uomo? Per quale motivo?
è dannoso per l’ambiente? Per quale motivo?
comporta benefici?
Le biotecnologie e il miglioramento classico lavorano sui geni. La modificazione gene6ca delle piante da parte dell’uomo va avan6 da più di 10.000 anni. Nessuna opposizione, nessuna differenza cruciale Le principali accademie nazionali e internazionali hanno espresso pareri posi6vi sulla tecnologia. Molte società scien6fiche e organizzazioni internazionali (OMS, FAO) hanno concluso che in base all’evidenza scien6fica pubblicata e all’esperienze accumulate in tan6 anni di col6vazione commerciale, le colture non presentano rischi nuovi o differen6 rispeHo a quelle convenzionali e danno benefici tangibili. (per una lista incompleta) hHp://users.unimi.it/morandin/Sources-­‐Academies-­‐socie6es.doc Accademie di: USA, Brasile, Cina, India, Germania, Inghilterra,
Messico, Francia, Italia, Terzo Mondo, A. Pontificia delle Scienze
Le biotecnologie e il breeding lavorano sui geni.
La modificazione genetica delle piante da parte dell’uomo
va avanti da più di 10.000 anni.
Nessuna opposizione, nessuna differenza cruciale (rischi
compresi)
Quasi tutte le principali accademia nazionali e internazionali (USA, India, Italia,
Brasile, Francia, Germania, Inghilterra, China, Mexico, Pontificia, del Terzo
Mondo…) hanno espresso pareri positivi sulla tecnologia.
Insieme a molte socientà scientifiche e organizzazioni internazionali (OMS,
FAO) hanno concluso che in base all’evidenza scientifica pubblicata e
all’esperienze accumulate in tanti anni di coltivazione commerciale, le colture
non presentano rischi nuovi o differenti rispetto a quelle convenzionali e danno
benefici tangibili.
(per una lista incompleta)
http://users.unimi.it/morandin/Sources-Academies-societies.doc
Le piante coltivate sono rischiose?
March 27, 1925 340-341
http://depthofprocessing.blogspot.com/2009
/05/are-potato-peels-nutritious.html
Poisoning and Toxicology Handbook
by Leikin & Paloucek 4th edition,
Informa Health Care, 2007
ISBN 1420044796, 9781420044799
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Potato_sprouts.jpg
Solanine abounds in green parts, sprouts and diseased potatos
Le piante transgeniche sono innaturali?
• Il metodo più comune sfrutta batteri che
naturalmente introducono geni nelle piante
Piante transgeniche naturali: contengono geni di batteri (calli nell’oleandro)
Molte piante sono modificate da funghi e insetti
Talee di bambù che hanno
formato abbondanti radici
Radici avventizie alla base di
un fusto di cavolo verza
Le piante mostrano una notevole capacità di rigenerare tessuti o
piante intere a partire da una o poche cellule
Cellule di tabacco in
coltura sterile
Composizione del mezzo di coltura di Murashige e Skoog
Pianta rigenerata
Pianta
Organo
(foglia)
Espianto
Callo
Organogenesi
radici
germoglio
Da tessuto a callo e rigenerazione per organogenesi di piante intere
Manipolazioni tipiche delle colture cellulari vegetali.
Pianta
Protoplasti
Coltura in
sospensione
Tessuto /
organo
Espianto
Embriogenesi
somatica
Callo
(foglia, radice,
picciolo, gemma,
embrione…)
Organogenesi
Embriogenesi
somatica
Embriogenesi
diretta
La trasformazione si può eseguire su materiali
diversi (es. espianti, calli, protoplasti…).
Pianta
rigenerata
Trasformazione di riso con agrobatterio
patina di
agrobatterio
callo
b
d
Agrobatt.
Semi
14 gg
Callo
3g
Agente
selettivo
10 g
Callo
resistente
15 g
Embrio
genesi
14 g
Plantula
a
c
e
plasmide Ti
T-DNA
Fasi del procedimento di
trasformazione con agrobatterio
RB
LB
cromosoma
agrobatterio
infezione
cellula
trasformata
selezione
rigenerazione
…e con il gene-gun
cellule in
coltura
plantula
rigenerata
pianta T0
in vaso
a
c
b
d
a)
Metodi di selezione
Selezione in piastra con kanamicina di germinelli di Arabidopsis; gli individui sensibili smettono di
crescere e sbiancano.
b) Calli da segmenti di ipocotile di lino in selezione su mannosio che stanno rigenerando dei germogli.
c)
Calli di riso trasformati con il gene GUS e colorati con X-gluc.
d) Calli di riso trasformati con il gene GFP che emettono luce verde al microscopio. Immagini b-d
gentilmente concesse da L. Morello, Ist. di Biologia e Biotecnologia Agraria (CNR, Milano).
La transgenesi è la naturale estensione del
miglioramento genetico classico (il miglioramento
genetico ha sempre mirato a sviluppare nuovi caratteri e a
farlo ad esempio incrociando piante di specie molto diverse)
In pratica ogni organismo può essere sorgente di geni
Le differenze tra tecnologie moderne e antiche risiedono
nella maggior precisione e velocità con cui si generano le
modifiche, la maggiore predicibilità e frequenza con cui si
ottiene il risultato atteso e il minor numero di alterazioni
indesiderate o comunque casuali
Le principali applicazioni in commercio sono le piante
tolleranti agli erbicidi e resistenti agli insetti
M ha
100
90
Tolleranza a erbicidi
80
Resistenza a insetti (Bt)
70
Tolleranza a erbicidi + Resistenza a insetti
60
50
40
30
20
10
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Anno
Area coltivata in Mha per i vari caratteri (HT, IR o impilati) nel periodo
1996-2010. Immagine per gentile concessione di C. James, ISAAA.
M ha
80
70
Soia
60
Mais
50
Cotone
Colza
40
30
20
10
0
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Area totale in M ha per coltura nel periodo 1996-2010.
Immagine per gentile concessione di C. James, ISAAA.
Mais convenzionale (a sinistra) con evidenti rosure da piralide e
infestazioni di fusarium. Il mais Bt (a destra) risulta più sano.
a
b
(a) Soia RR con un efficace controllo delle infestanti. Immagine per gentile
concessione del Centro Agricolo dell’Università Statale della Luisiana (LS,
USA). (b) Bietola tollerante al glifosate trattata (in primo piano) e non trattata
(sullo sfondo).
Fosfoenolpiruvato
(PEP)
COO
-
CH2
-2 O P O
3
-2
O 3 PO
COO
COO
CH2
EPSP sintasi
OH
-
-2
OH
O3 PO
O
COO
-
OH
3-enolpiruvil-3-shikimato
-fostato (EPSP)
Shikimato-3-fosfato
Glifosate
-
OOC
NH
PO3
2-
Reazione della EPSP sintasi e sua inibizione da
parte del glifosate
M ha
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Convenzionale
158
Transgenico
90
33
31
81%
64%
29%
23%
Soia
Cotone
Mais
Colza
Superficie totale (in Mha) coltivata a soia, cotone, mais e colza suddivisa
tra varietà convenzionali e transgeniche e la relativa % di adozione.
Immagine gentile concessione di C. James, ISAAA.
Altre applicazioni?
Mortalità globale 2010
Causa
Carenza di Vitamina A
Mortalità annuale
(milioni)
1,9 – 2,8
HIV/Aids
1,8
Tuberculosi
1,4
Malaria
0,7
Sorgente: WHO e UN (2010) Prevalenza della carenza di vitamina A in bambini sotto 5 anni
Source: The Lancet 2008; 371:243-260 (DOI:10.1016/S0140-6736(07)61690-0)
La carenza di Vitamina A causa
Xeroftalmia
Principale causa di cecità infantile1
1
Bulletin WHO 2001 79 (3) 214
Vitamina A (Re6nolo) www.sightandlife.org Informazione sugli interventi “traditionali“ per ridurre la
VAD si trovano al sito ‘Sight and Life‘
1. Distribuzione di pillole di vitamina A. L‘OMS investe
90-100 millioni di $ all‘anno in questo approccio.
2. “Educazione“ per una dieta diversificata.
3. Creazioni di orti domestici.
4. Promozione di piante ricche in pro-vitA.
Nonostanti questi approcci tradizionali, ci sono tuttora
6.000 morti al giorno e 500.000 ciechi ogni anno.
Gli interventi tradizionali sono utili ma insufficienti
Fitoene Sintasi dal narciso Fitoene Desaturasi da un ba7erio La manipolazione genetica dei
carotenoidi avviene da oltre 20 anni!
Batteri trasformati con i
geni della via biosintetica
Golden rice 1
wt β-carotene
Golden rice 2 Narciso Mais (La seconda versione contiene
molto più beta-carotene
Paine, et al., (2005) Dose giornaliera raccomandata (OMS) in%
140%
120%
100%
Raccomandazioni lussuose in occidente
80%
60%
50% previene la malnutrizione
40%
20%
Frutta, verdura
Pesce, pollame
0%
donne
bambini
Dieta standard
(H Bouis, 2005, unpublished.)
Sorgenti e quantità di provitamina A in popolazioni
povere e dipendenti da riso in Bangladesh.
Quanta provitamina A contiene il Golden Rice e
quanto riso dovrebbe mangiare la gente al giorno?
Dose giornaliera raccomandata (OMS) in%
140%
Riso con 2 µg di
provitamina A
120%
100%
80%
60%
Golden Rice 1
40%
20%
0%
Plant Sources
Animal source
donne
bambini
(H Bouis, 2005, unpublished.)
Anche con piante basso contenuto di provitamina A
(2 µg) )una dose normale è sufficiente.
Con piante ad alto contenuto la dose sarebbe oltre il 100% della
raccomandazione dell’OMS. C’è il rischio di sovradosaggio?
Il corpo regola la conversione in vitA. Nessun sovradosaggio!
Riso con 30 µg
di provit A
140%
120%
100%
Golden Rice 2
80%
60%
Golden Rice 1
40%
20%
0%
Plant Sources
Animal source
donne
bambini
(H Bouis, 2005, unpublished.)
Il Golden Rice avrebbe la potenzialità di curare la carenza di
vitamina A –basterebbe sostituire il riso con il Golden Rice.
Pomodoro funziona nelle
foglie di riso
Dobbiamo attendere
una mutazione che lo
accumuli nel chicco?
Per quanto?
Carota Limone Mais Peperone Rese in q/ha del frumento 40
Italia (1921-­‐2009) q/ha 30
Un poco di storia... 20
10
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
1940
1960
1980
2000
40
USA (1876-­‐2010) q/ha 30
20
10
0
1860
1880
1900
1920
Rischi economici? 120
Rese in q/ha del mais } = ~35 q/ha q/ha 100
80
Italia (1921-­‐2009) a 19 €/q 665 €/ha (da6 ISTAT) 60
A cui si aggiungono -­‐150 €/ha piralide -­‐ 90 €/ha diabro6ca 40
20
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
1 Mha x 905 €/ha = 120
q/ha 100
80
USA (1876-­‐2010) 905 M€ Quest’anno! (da6 USDA) 60
40
In 15 anni ? ~5 B€ 20
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Full bibliography of the open source volume of NEW BIOTECHNOLOGY, Elsevier 27/5, p. 445-­‐718, November 30, 2010 All published papers, statements and conference presenta6ons in: hHp://www.sciencedirect.com/science/issue/
43660-­‐2010-­‐999729994-­‐2699796 It must be understood, that statements by the par6cipants regarding the event do not cons6tute the opinion of the Va6can or the Pon6fical Academy of Sciences. The official informa6on, beyond any interview, is laid out in the English version of the ‚Statement’ agreed upon unanimously by all par6cipants hHp://www.ask-­‐force.org/web/PAS-­‐Statement-­‐
English.pdf and in addi6onal 15 world languages, see link above For interviews contact Prof. em. Ingo Potrykus [email protected] or Prof. em. Klaus Ammann, [email protected] or anybody else from the par6cipants list: hHp://www.ask-­‐force.org/web/Par6cipants-­‐
List-­‐2010.pdf PUBBLICITA’
Scab resistant apple
L’ingegneria genetica può aiutare a rendere
l’agricoltura più sostenibile
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schurft_bij_appel_(Venturia_inaequalis_on_Malus_domestica_'Schone_van_Boskoop'.jpg
Fungus causing most important apple disease Harvest losses up to 100% Commercial orchards can require 15 to 20 fungicide treatments /year Girasole tollerante agli erbicidi
Coltivato in USA e in Europa (su centinaia di
migliaia di ettari!)
1.
2.
3.
4.
Cross-breeding con parenti selvatici – SI
Flusso genico verso varietà sensibili – SI
Usa meno erbicida – NO; ma imazamox può
persistere nel suolo. Spesso si raccomanda di non
crescere varietà sensibili 21 mesi dopo l’uso
dell’erbicida. Per di più, la resistenza a questo erbicida
insorge velocemente, spesso dopo 4 o 5 trattamenti.
Questo comporta un aumento nell’uso dell’erbicida.
Invasione dell’ambiente – SI , il girasole coltivato ha
caratteristiche infestanti. Si trova non solo lungo le
strade e i margini dei campi come la colza, ma anche
distante da sorgenti di semi. Stabilisce popolazioni
persistenti in ambiente selvatico
Due metodi,
un risultato
E’ una varietà resistente agli erbicidi ottenuta mediante metodi classici e pertanto non
è controllata per la pericolosità ambientale (come invece accade per le piante GM).
http://www.ars.usda.gov/is/AR/archive/jan05/sunflower0105.htm
Varietà CLEARFIELD
(frumento) approvata dall’agenzia canadese il 20-03-2003
I. Brief Identification of Plant with Novel Traits (PNT)
Designation(s) of the PNT: CLEARFIELD™ wheat line AP602CL
Applicant: BASF Canada
Plant Species: Wheat (Triticum aestivum)
Novel Traits: Tolerance to imazamox, an imidazolinone herbicide
Trait Introduction Method: Chemically induced seed mutagenesis
Proposed Use: Production of wheat for livestock feed and human food.
E’ una varietà resistente agli erbicidi ottenuta mediante mutagenesi chimica!
http://www.inspection.gc.ca/english/plaveg/bio/dd/dd0344e.shtml
Perchè si obbietta a quelle transgeniche ma non a queste?
Prima della coltivazione occorre
ottenere un permesso sulla base
di documentazione scientifica
Varietà convenzionale
Immagini cortesia di A. McHughen (Canada)
Varietà transgenica
Libri,siti e documenti utili
• “OGM o non OGM? Come comportarsi con gli alimenti
geneticamente modificati” di A. McHughen, Centro scientifico Editore
• FAQ R. Lombardia http://www.siga.unina.it/circolari/Fascicolo_OGM.pdf
• Consensus document http://www.aissa.it/Consensus2006.pdf
•
•
•
•
Consensus Sicurezza http://www.siga.unina.it/circolari/Consensus_ITA.pdf
http://www.salmone.org/
http://www.biotecnologiebastabugie.blogspot.com/
http://www.nap.edu/openbook.php?isbn=0309092094
•
http://www.accademiaxl.it/documenti_pdf/Sintesi%20del%20Rapporto.pdf
• http://www.accademiaxl.it/documenti_pdf/Le%20Biotecnologie.pdf
Bibliografia
Storia dell’agricoltura:
* Bruce Smith “The emergence of Agriculture” (Ed. Scientific Am.)
* J. Diamond “Guns, germs and steel” (tr. it.: “Armi acciao e malattie” Einaudi)
Debolezza delle piante coltivate: Crawley at al, 2001, Nature 409:682-3
Creso: L’informatore Agrario (1984) n.25, pag. 39-46
Per i metodi usati nello sviluppo delle piante agrarie: qualsiasi manuale di
miglioramento genetico e di colture cellulari vegetali
Esempi di incroci tra specie distanti: Goodman RM et al., Gene transfer in
crop improvement. Science 1987, 236:48-54
