La investigación con plantas transgénicas y sus...

Jürgen Berger / Max Planck Institute for Developmental BiologyCrisanto Gutierrez

Julio 2011

La investigación con plantas transgénicasy sus aplicaciones

Plantas transgénicas

Una planta transgénica es aquella que ha sidomodificada genéticamente, es decir, se haintroducido un nuevo gen que pasa ha constituirparte de su genoma.Dicho gen (transgen) puede provenir de unaespecie emparentada o de otra distinta.

1. Introducción

2. Métodos para la transformación vegetal

a. Transformación mediada por Agrobacterium

b. Transformación por bombardeo con partículas

3. Aplicaciones para la investigación

4. Usos comerciales

5. Riesgos al ambiente y a la salud humana asociados con eluso a gran escala

Plantas transgénicas

Plantas transgénicas

Transferencia mediada por Agrobacterium

Plantas transgénicas

1. Entrada celular

2. Entrada nuclear

3. Integración

Plásmido Ti

Plantas transgénicas

Van Montagu, M. (2011) It is a long way to GM agriculture Annu. Rev. Plant Biol. 62, 1-23.

Plantas transgénicas

Agroinfiltración

PlantatransformadaAgrobacterium

SelecciónAntibiótico

Plantas transgénicas

Sistemas de introducción de DNA

vectores biológicos

• Agrobacterium tumefaciens• Virales

directamente

• Bombardeo con partículas,• Microinyección• Electroporación• Mediada por glicol polietilénico (PEG)

Plantas transgénicas

Agroinfiltración

Plantatransformada

Plantas transgénicas

Plantas transgénicas

Plantas resistentes a herbicidas: Plantas Roundup Ready (Glifosfato: Proteína diana)

Plantas resistentes a insectos: Prot.cry (selectividad de la toxina Bt)

Plantas resistentes a virus (Proteína de cápsida,AS)

Plantas tolerantes a stress abiótico (osmoprotectores)

Plantas con maduración controlada (Ruta etileno)

Otras: Productoras plásticos de poli ß-hidroxibutirato, productoras de vacunas, acumuladoras metales pesados, plantas coloreadas, plantas enriquecidas -Golden rice & patata hindú-)

Plantas transgénicas

Modificaciones genéticas aprobadas en Europa

• Maíz Bt-176 resistente al taladro (para todos los usos)• Maíz Bt MON-810 resistente al taladro (para todos los usos)• Maíz T25 tolerante al glufosinato de amonio (para todos los usos)• Maíz Bt-11 resistente al taladro y al glufosinato de amonio

(importación y procesado)

• Colza tolerante al glufosinato de amonio (cultivo)

• Tabaco resistente al herbicida bromoxinil (cultivo)

• Soja A-5403 resistente al glifosato (importación y procesado)

• Claveles de nuevos colores (ornamentación)• Claveles de mayor longevidad (ornamentación)

Plantas transgénicas

Modificaciones genéticas aprobadas en España• Maíz (Bt-176) resistente a los taladros• Maíz (Bt- MON/810) resistente a los taladros• Maíz (T25) tolerante al herbicida glufosinato de amonio

En proceso :

• Algodón (Bt-Bollgard) resistente a lepidópteros• Algodón (Bt-Bollgard + RR) resistente a lepidópteros y tolerante a glifosato• Algodón (OXI) tolerante a herbicidas del grupo oxinilo• Algodón (RR) tolerante al herbicida glifosato• Maíz (Bt-11) resistente a los taladros• Maíz (GA-21) tolerante al herbicida glifosato• Maíz (Mon 810 + GA-21) resistente a los taladros y tolerante a glifosato• Maíz (Mon 810 + T-25) resistente a los taladros y tolerante a glufosinato• Remolacha (T-120-7) tolerante al herbicida glufosinato• Remolacha (77) tolerante al herbicida glifosato

Plantas transgénicas

Proceso de aprobación / comecialización

Nuevavariedad

Asesorada por un comité de expertos

Autorización de la Comisión Europea Directiva 90/220/CEE

(en revisión)

Autorización y normas de etiquetado según

Reglamento 258/97 sobrenuevos alimentos

Plan de Seguimiento

Inscripción en elRegistro de Variedades

Estudios sobre su valoragronómico

Instituciones EuropeasInstituciones Españolas

Plantas transgénicas

BeneficiosEconómicos

Resistencia a las Plagas

Mejora en el rendimiento

Fármacos (Vacunas, Ab)

Alimentación animal

Plantas transgénicas

BeneficiosEconómicos

Resistencia a las Plagas

Mejora en el rendimiento

Fármacos (Vacunas, Ab)

Alimentación animal

Ecológicos Tolerancia al stress biótico y abiótico

Uso de tierras marginales (Biorremediación)

Beneficio en cuanto a nutrición (ac. grasos, Ferritina,

Vitaminas).

Menor impacto ambiental (insecticidas, conservantes...)

Plantas transgénicas

Plantas transgénicas

Países europeos productores

- Republica Checa- España (16º mundial)- Portugal- Alemania- Francia- Rumania

Principales países productores

- EEUU- Argentina- Brasil- Canada- China- Paraguay- India- Sudáfrica- Uruguay- Australia- México- Rumania- Filipinas- España

Datos: Nov. 2009

Plantas transgénicas

Total = 150 000 000 Ha. EU = 90 000 Ha (75 000, Spain)

Plantas transgénicas

Plantas transgénicas

Ventajas Riesgos

Plantas transgénicasRiesgos

Ecológicos:

Flujo genético(dispersión a otras especies)

Efectos sobre la biodiversidad

Plantas transgénicasRiesgos

Ecológicos:

Flujo genético(dispersión a otras especies)

Efectos sobre la biodiversidad

Sanitarios:

Alergias

Seguridad alimentaria (resistencias antibióticos) (vs. hormonas)

Plantas transgénicas

Otros alimentos tratados (hormonas)

Plantas transgénicas

Otros alimentos tratados (hormonas)

Países ricos

Plantas transgénicas

Otros alimentos tratados (hormonas)

Países ricos

Superficie cultivo tradicional

Las plantas como modelo para la biomedicinaen la era postgenómica

Plantas

Frecuentemente, se mira a las plantas “sólo” como fuentede alimento, productores de metabolitos, bioreactores, etc.

Además, las plantas son excelentes modelos experimentalespara abordar preguntas basicas en biologia.

Plantas y animales

Plantas y humanos divergieron hace unos 1500 millones de años

Plantas y animales

Plantas y animales tienen un patrón de desarrollo, unas estrategias de crecimiento y una estructura corporal muy diferente

Plantas y humanos divergieron hace unos 1500 millones de años

Número de células (proliferación)Animales ~10 células (humanos)14

Plantas número variable

Organismos multicelulares: plantas y animales

Plantas número variable

Plantas número variableAnimales número constante

Organogénesis

Organismos multicelulares: plantas y animalesNúmero de células (proliferación)

Animales ~10 células (humanos)14

Plantas número variable

Humanos

Desarrollo postembrionario

SofíaOtero

CelinaCostas

Maribel Lopez

VictoriaMora-Gil Marta

Barcala

ElenaRamirez-Parra

NuriaMauri

BénédicteDesvoyes

ZaidaVergara

SergioMuñoz

JoanaSequeira-Mendes

Humanos

Plantas

Desarrollo postembrionario

Plantas ~40Animales ~200

Tipos celulares (diferenciación)

Plantas número variableAnimales número constante

Organogénesis

Organismos multicelulares: plantas y animalesNúmero de células (proliferación)

Animales ~10 células (humanos)14

Plantas número variable

cofia

epidermis

cortex

endodermis

periciclocilindro central

Arabidopsis: tipos celulares de la raízMeristemo apical del tallo (SAM)

Meristemo apical de la raíz (RAM)

Arabidopsis: tipos celulares del ápice del tallo

tricomas

estomas

cotiledón

primordiode hoja

hipocotilo

célulaspavimentosas

Arabidopsis: tipos celulares de la epidermis de la hoja

estomas

célulaspavimentosas

Plantas ~40Animales ~200

Tipos celulares (diferenciación)

Plantas número variable

Plantas número variableAnimales número constante

Organogénesis

Organismos multicelulares: plantas y animales

Línea germinal Animales separada en desarrollo tempranoPlantas derivan de células somáticas

Número de células (proliferación)Animales ~10 células (humanos)14

Plantas número variable

Descubierta por Johannes Thal (de donde toma su nombre) en las montañas Harz en el s. XVI.

En 1873 se describe el primer mutante

Laibach (1907-1943) determinó el número de cromosomas y propuso su potencial como planta modelo para estudios genéticosReinholz (1947), estudiante de Laibach, construyó una colección de mutantesRedei (desde 1950) impulsó su uso como modelo

Meyerowitz, E. (1998)

Arabidopsis thaliana

raiz

4 días

cot SAM

Hipocotilo

24 h

40 h

germinación

M

T

D

Arabidopsis thalianaciclo vital

Arabidopsis thalianaciclo vital

cot SAM

9 días

28 días

raiz

4 días

Hipocotilo

24 h

40 h

germinación

M

T

D

15 días

Arabidopsis thalianaciclo vital

cot SAM

9 días

28 días

meiosis + meiosis

gametofitos +

2 divisionesnucleares

3 divisiones nucleares

EmbryogenesisSeedproduction

raiz

4 días

Hipocotilo

24 h

40 h

germinación

M

T

D

15 días

Una maravilla anual

Plantas y animales

A pesar de sus diferencias poseenaspectos comunes a nivel de la biología celular, molecular y genómica

Genomas

elañodosmilmarcounhitoenlainvestigaciogenomicadeplantasconvariosañosdeantelaciónsobreelprogramaprevistosecompletolasecuenciaciondelgenomacompletodelaplantaarabidopsisthalianaelmodeloexperimentalmasutilizadodeplantasyunodelosprimerosorganismosmulticelularessecuenciadojuntocondrosophilaperomasimportanteaunquelasecuenciacompletaensihasidoquehoyelgenomaestacasicompletamenteanotadoesdecirqueestandefinidostodoslosgenesqueposeesucomienzoysufinalsusregionesreguladoresetcladisponibilidaddelasecuenciadearabidopsishasupuestouncambiocualitativoenlainvestigacionmasrecientementesehacompletadoelgenomadelarrozydevariasalgasactualmentesetrabajaagranvelocidadenfinalizarlasecuenciaciondehastasesentaplantassentreellaselmaizlavidelpinoyotrasdeinteresagronomicotodaestainformacionesasiendodeenormeutilidadenlaerapostgenomicaparaelconocimientodeprocesobasicosebiologiayenbiomedicinayaqueunagranproporciondegenesencontradosenarabidopsissonmuyparecidosalosdehumanosendondesumalfuncionamientoesresponsibledemuchasenfermedadeshereditariasademaspodremosutilizareseconocimientoenlamejoradeplantasdeinteresagronomicoagroalimentarioydeesamaneracontribuirapaliarproblemasacuciantesenmuchospuntosdelglobondegenesencontradosenarabidopsissonmuyparecidosalosdehumanosendondesumalfuncionamientoesresponsibledemuchasenfermedadeshereditariasademaspodremosutilizareseconocimientoenlamejoradeplantasdeinteresagronomicoagroalimentarioydeesamaneracontribuirapaliarproblemasacuciantesenmuchospuntosdelglobondegenesencontradosenarabidopsissonmuyparecidosalosdehumanosendondesumalfuncionamientoesresponsibledemuchasenfermedadeshereditariasademaspodremosutilizareseconocimientoenlamejoradeplantasdeinteresagronomicoagroalimentarioydeesamaneracontribuirapaliarproblemasacuciantesenmuchospuntosdelglobosmulticelularessecuenciadojuntocondrosophilaperomasimportanteaunquelasecuenciacompletaensihasidoquehoyelgenomaestacasicompletamenteanotadoesdecirqueestandefinidostodoslosgenesqueposeesucomienzoysufinalsusregionesreguladoresetcladisponibilidaddelasecuenciadearabidopsishasupuestouncambiocualitativoenlainvestiga

conocer la secuencia de nucleótidos

de un genoma no es suficiente

para interpretar la información

El año 2000 marcó un hito en la investigación genómica de plantas ya que se completó la secuenciación del genoma de Arabidopsis thaliana.

El año 2000 marcó un hito en la investigación genómica de plantas ya que se completó la secuenciación del genoma de Arabidopsis thaliana.

Más importante aún que la secuencia completa es el hecho deque hoy el genoma de Arabidopsis está “anotado”, es decir, que están definidos todos los genes, su comienzo y su final, sus regiones reguladores, etc.

El año 2000 marcó un hito en la investigación genómica de plantas ya que se completó la secuenciación del genoma de Arabidopsis thaliana.

Más importante aún que la secuencia completa es el hecho deque hoy el genoma de Arabidopsis está “anotado”, es decir, que están definidos todos los genes, su comienzo y su final, sus regiones reguladores, etc.

La disponibilidad de la secuencia de Arabidopsis ha supuesto un cambio cualitativo fundamental. Recientemente se ha completado el genoma del arroz, del chopo y del sorgo, así como de varias algas. Actualmente se trabaja en finalizar la secuenciación de unas 60 plantas (el maiz, la patata y el tomate).

30,432,563

19,705,359

23,470,805

18,585,042

26,992,728

Chromosome 1ORC1CDC6

originsGenes(+)

Genes(-)Coordinates

Chromosome 2ORC1CDC6

originsGenes(+)

Genes(-)Chromosome 3

ORC1CDC6

originsGenes(+)

Genes(-)

Coordinates

Coordinates

Chromosome 4ORC1CDC6

originsGenes(+)

Genes(-)Coordinates

Chromosome 5ORC1CDC6

originsGenes(+)

Genes(-)

The Arabidopsis originome

The Arabidopsis originome

Costas et al Nature Struct. Mol. Biol. 18, 395-400 (2011)http://gbrowse.arabidopsis.org/cgi-bin/gbrowse/arabidopsis/#search

Players of epigenetic changes

Chromatin-bindingproteins

Probst et al. (2009)

Histonemodifications

DNA methylation

Histone variants

Sanchez & Gutierrez Epigenetics 4, 205-208 (2009)Sanchez et al Semin. Cell Dev. Biol. 19, 537-546 (2008)

K5 K8 K12 K16 K20

K27 S28 K36K23K18K14T11S10K9K4R2

me

T3P me

ac

me

ac ac ac

me

ac ac

ac ac ac ac me

acH3

H4

P P P

ORC1

Origin landscape (ori5g24520, TTG1)

origin

Plantas: modelos experimentales

Arabidopsisthaliana

Oryzasativa

( arroz )

Zeamays

( maiz )

Populustrichocarpa

( chopo )

Otros genomas vegetales en desarrollo

VidPatataTomateNaranjaPinoCebadaTrigo

y otras especies hasta más de 60

Enfermedades causadas pordefectos en genes conservados

en humanos y plantasLa información genómica está siendo de enorme utilidad para entender procesos básicos en biología y en biomedicina ya que una gran proporción de genes son muy parecidos entre Arabidopsis y humanos. (http://mips.gsf.de/proj/thal/db/tables/disease.html).

Retinoblastoma

Enfermedades causadas pordefectos en genes conservados

en humanos y plantas

Retinoblastoma

Ciclo celular: retinoblastoma

Chlamydomonas

Chenopodium

Maize RBR2b

Maize RBR1Maize RBR2a

TobaccoPopulus

Arabidopsis

p130

p107

RB Xenopus

Newt

Chicken

HumanMouse

Rat

Human

MouseMouse

Human Rat

C. elegans Rb

Drosophila RBF

Hoja #3/413 d

ControlPloidía

0 20 40 60 80 100

2C 4C

DAPI (núcleos)

Ciclo celular: retinoblastoma

Desvoyes et al. Plant Physiol. 140, 65-80 (2006)

SEMHoja #3/413 d

ControlPloidía

0 20 40 60 80 100

2C 4C

Ciclo celular: retinoblastoma

Desvoyes et al. Plant Physiol. 140, 65-80 (2006)

PIP2A-GFP (Marcador de membrana plasmática)

Hoja #3/413 d

ControlPloidía

0 20 40 60 80 100

2C 4C

Ciclo celular: retinoblastoma

Desvoyes et al. Plant Physiol. 140, 65-80 (2006)

Hoja #3/413 d

Ploidía

0 20 40 60 80 100

2C 4C

DAPI (núcleos)

Inactivación de RB induce hiperplasia

Inactivación deretinoblastoma

Ciclo celular: retinoblastoma

Desvoyes et al. Plant Physiol. 140, 65-80 (2006)

Hoja #3/413 d

Ploidía

0 20 40 60 80 100

2C 4C

Inactivación deretinoblastoma�

SEM

Inactivación de RB induce hiperplasia

Ciclo celular: retinoblastoma

Desvoyes et al. Plant Physiol. 140, 65-80 (2006)

Hoja #3/413 d

Ploidía

0 20 40 60 80 100

2C 4C

Inactivación deretinoblastoma�

PIP2A-GFP (marcador de membrana plasmática)

Inactivación de RB induce hiperplasia

Ciclo celular: retinoblastoma

Desvoyes et al. Plant Physiol. 140, 65-80 (2006)

CáncerGenes de Arabidopsis

Enfermedadesneurológicas

Genes de Arabidopsis

cáncer de mama (BRCA1)ataxia telangiectasia (ATM)

Enfermedades causadas pordefectos en genes conservados

en humanos y plantas

cáncer de mama (BRCA1)ataxia telangiectasia (ATM)

Chromatin assembly factor (CAF-1)Las plantas mutantes son viables pero . . .

wt fas1-4wt

fas1-4

wt

fas1-4

esterilidadflores

alteradascrecimientoretrasado

Ramirez-Parra Plant Physiol. 144, 105-120 (2007)

Parada del desarrollo

Inhibe división celular S G2G1 M

CAF-1

activa checkpoint de G2

Pérdida de CAF-1

Ramirez-Parra Plant Physiol. 144, 105-120 (2007)

Pérdida de CAF-1 y expresión de BRCA1animales

Inicio del programade endoreplicación

viabilidad

Inhibe división celular S G2G1 M

CAF-1

activa checkpoint de G2

Pérdida de CAF-1

Ramirez-Parra Plant Physiol. 144, 105-120 (2007)

Pérdida de CAF-1 y expresión de BRCA1plantas

Células madre

Célulasdiferenciadas

Células madreproliferantes

Nicho

Células nutricias

Stem cell niches

Células detransición

Sablowski (2004) Trends Cell Biol. 14, 605-611

Células madre: nichos celulares

Ápice de la raíz: tipos celulares

c

qc

cc

ec

ep

rc

endodermis

epidermis

pericycle

cortex

centralcylinder

Rootcap

collumela.... .. ..

.

. ...

.. ... ......

.....

.

. .

........

.....

........... . .. .... ....

....... ....

...... .....

... .... .... . .

. .. . .. .. .. .... . ..quiescent

center

c

qc

cc

ec

ep

rc

endodermis

epidermis

pericycle

cortex

centralcylinder

Rootcap

collumela.... .. ..

.

. ...

.. ... ......

.....

.

. .

........

.....

........... . .. .... ....

....... ....

...... .....

... .... .... . .

. .. . .. .. .. .... . ..quiescent

centerepiderm

is

endo

derm

isco

rtex

perc

ycle

centralcylinder

collumela

rootcap

qc

Ápice de la raíz: células madre

“The capacity of these trees to live so fantastically long may, when we come to understand it fully, perhaps serve as a guidepost on

the road to the understanding of longevity in general." Edmund Schulman

El árbol Matusalem(~4700 años)

El habitante más longevo de la Tierra

Célulasembrionarias

célulasmadre

célulasproliferantes(meristemos,primordios)

célulasdiferenciadas

Adulto

Dinámica de poblaciones celulares

Célulasdesdiferenciadas

Célulasembrionarias

célulasmadre

célulasproliferantes(meristemos,primordios)

célulasdiferenciadas

Adulto

Dinámica de poblaciones celulares

SofíaOtero

Pascal Genschik (IBMP)Gerd Jürgens (Tübingen)

S Jacobsen (UCLA)Ben Scheres (Utrecht)

CelinaCostas

Maribel Lopez

VictoriaMora-Gil Marta

Barcala

R Solano, JC Oliveros (CNB)J. Carlos del Pozo (CBGP)

ElenaRamirez-Parra

NuriaMauri

BénédicteDesvoyes

ZaidaVergara

SergioMuñoz

X Zhang (Athens, U Georgia)

JoanaSequeira-Mendes