L` ingegneria genetica per uno sviluppo sostenibile: agricoltura

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L’ ingegneria genetica per uno sviluppo
sostenibile: agricoltura, energia,
ambiente
Felice Cervone
Dip. Biologia e Biotecnologie “Charles Darwin”
Sapienza Università di Roma
Accademia dei Lincei – 25 Marzo 2011
Thomas Robert Malthus, economista inglese, nel 1798 pubblicò il "Saggio sul
principio
della
popolazione“.
Secondo Malthus la crescita geometrica della popolazione era inesorabilmente
superiore all'aumento in progressione aritmetica delle risorse alimentari.
L’equilibrio è quindi permanentemente turbato e soltanto eventi quali le guerre, le
pestilenze, la mortalità, riescono a ristabilirlo. Vi è in pratica una lotta per
l’esistenza in cui molti individui soccombono.
Golden Rice
Ye et al., 2000 "Engineering the Provitamin A (ß-Carotene) Biosynthetic Pathway
into (Carotenoid-Free) Rice Endosperm”, Science 287, 303 - 305
Evoluzione del frumento a partire dai suoi
genitori selvatici
Aumento nelle dimensioni del mais fra
il 1500 a.C e il 1500 d.C.
3 cm
Il trasferimento di geni nelle piante è possibile:
1) Da sempre attraverso l’incrocio.
Limitazioni:
a) Dipende da compatibilità sessuale,
b) Trasferisce geni già presenti nei parentali,
c) Determina rimescolamento dei geni.
2) Dal 1983 per “trasformazione genetica”:
Vantaggi:
a) Non dipende da compatibilità sessuale,
b) Trasferisce geni esogeni (anche microbici o
animali),
c) Non determina rimescolamento di geni.
Trasformazione genetica delle
piante
Colture GM che sono state fino ad
ora commercializzate
•
•
•
•
•
Mais
Soia
Cotone
Rapa da olio
Cavolfiore
•Pomodoro
•Barbabietola
•Papaya
•Patata
•Cavolo
•Erba medica
•Tabacco
•Canna da
zucchero
•Riso
•Peperoni
Pomodoro
(1994)
Flavr Savr
Calgene
Antisenso poligalatturonasi
per rammollimento
rallentato
(non più in commercio)
Cotone
Mais
Patata
(1996-97)
Bollgard
NewLeaf
YieldGuard
Monsanto
Tossina Bt di Bacillus
thuringiensis per
resistenza a insetti
Roundup
Ready
Monsanto
Golden Rice
Syngenta
Soia
Rapa da seme
Cotone
(1995-96)
Riso
(2005)
Resistenza all’erbicida
glifosato
Biosintesi della Vitamina A
Area globale
1996-2001
60.00
50.00
52.50
44.20
40.00
39.90
30.00
27.80
20.00
in milioni di ha
10.00
11.00
1.70
1996
1997
1998
1999
2000
2001
Stati Uniti
70%
60%
55%
50%
48%
% Area coltivata
40%
35%
30%
26%
27%
23%
20%
13%
10%
16%
9%
7%
0%
1996
1997
Mais
1998
Cotone
Soia
1999
53%
Canada
70%
65%
60%
50%
50%
47%
% Area coltivata
40%
38%
35%
30%
20%
20%
10%
5%
3%
6%
0%
1996
1997
Rapa da olio
1998
Mais
Soia
1999
Argentina: soia transgenica
70%
65%+
60%
50%
% Area coltivata
50%
40%
30%
23%
20%
10%
2%
0%
1996
1997
1998
1999
• La trasformazione vegetale offre l'opportunita' di introdurre geni di
qualunque origine nelle cellule vegetali. Queste cellule vengono , quindi,
rigenerate producendo piante transgeniche che contengono ed esprimono la
nuova informazione genetica.
• La maggior parte delle piante transgeniche viene generata usando due
metodi generali che sono:
*
La trasformazione mediata da Agrobacterium
*
La trasformazione diretta con DNA
(tecniche biolistiche, elettroporazione, permeabilizzazione di
mediata da PEG)
protoplasti
La trasformazione mediata da Agrobacterium
Galla del colletto
Agrobacterium tumefaciens
Gene(i) di interesse
Infezione di dischetti di tessuto fogliare con Agrobacterium ->
dopo un certo tempo, i batteri sono uccisi con un antibiotico
Solo le cellule trasformate danno origine a calli resistenti
all’antibiotico -> trasformanti primari
Rigenerazione di piantine da calli trasformati -> se il transgene
si è integrato stabilmente nel genoma, viene trasmesso alla
progenie -> linea transgenica
Cannoncino biolistico (“gene gun”)
Particelle metalliche
microscopiche
ricoperte di DNA e
sparate ad alta
pressione direttamente
nelle cellule
Cannoncino
biolistico
(“gene gun”)
Helium chamber
Rupture disk
Macrocarrier
DNA coated
gold particle
Stopping screen
Focusing device
PDS1000 Microparticle Delivery System
Target tissue
Fotosintesi: processo di trasduzione dell’energia
luminosa in energia chimica
LUCE
CO 2 + 2H 2 O → (CH 2 O) + H 2 O + O 2
ΔG = 4,8 x 105 J/mole
Sintesi di amido e saccarosio
o
Sugarcane
• Monocot, Family Poaceae, Genus
Saccharum. More than 30 species.
• Cultivated in Brazil since 1530.
• Production of ethanol/year: 27.512.962
billions of liters (08/09). 80 to 220
tons/hectare.
• Price in the gas station:55-65% of the
gasoline. Annual Exportation= US$ 2,23
billions
• 92% of the cars in Brazil are flex fuel.
Cellule dopo la digestione della parete cellulare:
Protoplasti
La parete cellulare rappresenta il 70-75% del materiale
cellulare vegetale (biomassa) ed è principalmente composta
da polisaccaridi
Fase fibrillare
Cellulosa
¾Catene lineari di β-Dglucosio uniti con legami 1Æ4
¾Legami H tra 20-40 catene
formano una microfibrilla
¾Unità
ripetuta
cellobiosio
è
¾Forza tensile come l’acciaio
il
Plants: a significant proportion of
the biomass on Earth
Credit: Don Deering, NASA/LBA Project
Espressione in pianta di enzimi microbici che
degradano la parete cellulare
Selezione dei
ceppi microbici
Caratterizzazione
degli enzimi
Espressione degli
enzimi in piante
Aumento della degra=
dabilità della biomassa
Pectin
Cellulose
Hemicellulose
xyloglucan
galactomannan
arabinoxylan
Homogalacturonan
Pectin
Rhamnogalacturonan
Ca2+-crosslinked
non-methylesterified
methylesterified
RG I
RG II
(galactan) (arabinan) (boron-diester)
The Plant Cell Wall
Cellulose
Hemicellulose
xyloglucan
galactomannan
arabinoxylan
The Plant Cell Wall
Cellulose
Tessuti di piante trasformate facilmente
degradabili
WT
Piante trasformate
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