Este documento resume los principales conceptos sobre el desarrollo de plantas transgénicas y su relación con el medio ambiente. Explica cómo se iniciaron las manipulaciones genéticas durante el Neolítico a través de la domesticación de plantas. Luego describe los métodos modernos de ingeniería genética para introducir genes en plantas, como el uso de Agrobacterium tumefaciens y la biolística. Finalmente, analiza algunos riesgos potenciales de los cultivos transgénicos como la transferencia horizontal de genes y los posibles

1. PLANTAS TRANSGÉNICAS Y MEDIO AMBIENTE LAURA HUERTA MARTÍNEZ BIOTECNOLOGÍA Y SOCIEDAD Valencia, febrero 2003

2. NEOLÍTICO: inicio de las manipulaciones genéticas POBLACIÓN ADAPTADA RECOMBINACIÓN MIGRACIÓN MUTACIÓN VARIABILIDAD POBLACIONAL SELECCIÓN NATURAL EFICACIA BIOLÓGICA REVOLUCIÓN NEOLÍTICA SELECCIÓN ARTIFICIAL CARACTERES AGRÍCOLAS POBLACIÓN DOMESTICADA

3. CAMBIOS ASOCIADOS A LA DOMESTICACIÓN: 1) Gigantismo (frutos, inflorescencias mayores) 2) Semillas de mayor tamaño y mayor proporción de hidratos de carbono 3) Supresión de mecanismos naturales de distribución (disminución del desgrane y la dehiscencia) 4) Cambio de hábito perenne a anual 5) Cambio de alogamia a autogamia 6) Supresión de algunos mecanismos de defensa 7) Reducción de la fertilidad sexual en especies de propagación vegetativa 8) Sincronización de la floración y maduración uniforme 9) Germinación rápida y simultánea de la semilla (desaparición de las envolturas de la semilla y de los inhibidores de la germinación) NEOLÍTICO: inicio de las manipulaciones genéticas El proceso de domesticación tiene como resultado una serie de cambios fenotípicos y genotípicos, debidos a la presión de selección ejercida sobre el cultivo, que las hacen más aceptables para el hombre

4. NEOLÍTICO: inicio de las manipulaciones genéticas TEOSINTE Especie silvestre del género Euchlaena MAIZ CULTIVADO Zea mays Milenios a.C. Volumen de la mazorca (cm 2 )

6. Introducción a la transformación genética de plantas La transformación genética se puede definir como la transferencia de genes foráneos específicos, aislados de distintos organismos (plantas, virus, bacterias o animales) a un nuevo contexto genético. TRANSFORMACIÓN GENÉTICA Presencia universal de DNA PASOS PARA LA TRANSFERENCIA DE GENES: 1) Identificación del gen o genes de interés en la especie donadora 2) Aislamiento del gen o genes 3) Multiplicación en un vector de clonación adecuado 4) Inserción en un vector de transferencia adecuado 5) Transferencia a la especie receptora 6) Integración en el genoma de la especie receptora 7) Regeneración de la planta 8) Expresión biológica de los genes introducidos (transgenes)

7. Localización de los genes de interés LOCALIZACIÓN GENES que determinan las características agronómicas de interés IDENTIFICACIÓN ETAPA LIMITANTE

8. Diseño de genes para la inserción GEN aislado y clonado Señales para su expresión eficiente en plantas Construir in vitro un cassete de expresión Promotor TRANSGÉN Secuencia de terminación GEN MARCADOR Promotor Terminador

9. Diseño de genes para la inserción: PROMOTOR Secuencia que dirige la expresión de un gen CONSTITUTIVOS INDUCIBLES CaMV 35S Coliflor Responden a señales del medio interno o externo de la planta Expresión de tejido controlada

10. Diseño de genes para la inserción: MARCADOR GEN MARCADOR Identificar células o tejidos de la planta que han integrado con éxito el transgén Resistencia a antibióticos GEN nptII Otros genes marcadores GEN gfp Tejidos transformados Luz blanca Luz azul

11. Métodos de transformación: A. tumefaciens Agrobacterium tumefaciens Bacteria del suelo Esfermedad “crown gall” o agalla de la corola

12. Métodos de transformación: A. tumefaciens Plásmido Ti: inductor del tumor

13. Métodos de transformación: A. tumefaciens Introducción del T-DNA al núcleo de un célula vegetal

14. Métodos de transformación: A. tumefaciens GENES vir : Regulan los pasos necesarios para que se produzca la transformación genética: 1) corte de las secuencias que constituyen el T-DNA separándolas del resto del plásmido Ti 2) la formación de canales de conjugación que permitan el paso del T-DNA desde la bacteria a la célula vegetal 3) el recubrimiento de este T-DNA por, al menos dos tipos distintos de proteínas, igualmente codificadas en genes vir , que garanticen su integridad y lo dirijan hacia su destino final en el núcleo de la célula vegetal. Infección a través de una herida Secreción de compuestos fenólicos Inducción genes vir

15. Métodos de transformación: A. tumefaciens Regeneración de plantas enteras Plásmidos Ti desarmados SISTEMAS BINARIOS Necesarios bordes (25 pb) del T-DNA T-DNA no tiene que estar ligado físicamente a la región de virulencia

16. Regeneración de plantas transgénicas Métodos de transformación: A. tumefaciens

17. Métodos de transferencia directa de genes Electroporación Biolística Independientes de sistemas biológicos de transferencia Agrobacterium no funciona para todas las especies vegetales Métodos de transferencia directa de genes

18. Métodos de transferencia directa de genes: ELECTROPORACIÓN Introducción de DNA a los PROTOPLASTOS mediante la aplicación de un campo eléctrico intenso por un tiempo muy breve (milisegundos), que provoca la permeabilización reversible de la membrana celular a moléculas polares.

19. Métodos de transferencia directa de genes: ELECTROPORACIÓN PARÁMETROS QUE DETERMINAN LA EFICIENCIA: 1) Intensidad del campo eléctrico 2) Duración del pulso aplicado 3) Concentración de DNA 4) Concentración de cationes divalentes Maíz Arroz Problemática Preparación de protoplastos complicada Problemas con la regeneración de plantas a partir de protoplastos en muchas especies vegetales

20. Métodos de transferencia directa de genes: BIOLÍSTICA Introducción de DNA a células intactas en cultivo o a tejidos organizados por medio de partículas microscópicas aceleradas a elevadas velocidades, que atraviesan la pared y la membrana celular sin causar, por lo general, efectos letales. Microproyectiles Partículas esféricas de materiales densos Oro Tungsteno

21. Métodos de transferencia directa de genes: BIOLÍSTICA

22. Métodos de transferencia directa de genes: BIOLÍSTICA Único método para transformar cloroplastos

23. FITORREMEDIACIÓN AVANCES CIENTÍFICO-TÉCNICOS TÉCNICAS DE REMEDIACIÓN FITORREMEDIACIÓN EXPLOTACIÓN INTENSIVA DE LOS RECURSOS NATURALES DESEQUILIBRIOS REDUCCIÓN DE LA CAPACIDAD DE AUTODEPURACIÓN CONTAMINACIÓN DE ECOSISTEMAS

24. FITORREMEDIACIÓN Es una tecnología emergente que utiliza las plantas y los microorganismos asociados de la rizosfera para eliminar, transformar o inmovilizar sustancias tóxicas localizadas en el suelo, en los sedimentos y en el agua (Susarla et al. , 2002). Hidrocarburos Disolventes clorados Pesticidas Explosivos Metales pesados Radionucleidos BOMBA SOLAR FITORREMEDIACIÓN

25. FITORREMEDIACIÓN

26. FITORREMEDIACIÓN ESTRATEGIAS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE LA FITORREMEDIACIÓN Búsqueda y selección de especies con elevado potencial para la fitorremediación Prácticas agronómicas que optimizan el proceso de remediación APROXIMACIÓN BIOTECNOLÓGICA

27. FITORREMEDIACIÓN DEL MERCURIO CONTAMINACIÓN POR MERCURIO BIOACUMULACIÓN EN LA CADENA ALIMENTARIA METILMERCURIO GRAVE PROBLEMA MEDIOAMBIENTAL

28. FITORREMEDIACIÓN DEL MERCURIO Introducción de la ruta bacteriana que convierte el metilmercurio a mercurio elemental (Meagher et al. ) APROXIMACIÓN BIOTECNOLÓGICA AL PROBLEMA Scott P. Bizily, Clayton L. Rugh, and Richard B. Meagher. 2000. Nature Biotech. 18:213-217. MeHg + Hg 2+ Hg MerB MerA ........merB.........merA........ ........merB.........merA........ ....merA/B..............wt....... ....merA/B..............wt.......

29. Riesgos potenciales derivados de cultivos transgénicos Introducción de nuevas presiones selectivas del cultivo transgénico sobre las poblaciones de plagas y patógenos a controlar Efectos secundarios potenciales de los cultivos transgénicos sobre organismos no diana Flujo genético del transgén a otros organismos presentes en el ecosistema TRANSFERENCIA GÉNICA HORIZONTAL 1 2 3

30. Riesgos potenciales: TRANSFERENCIA HORIZONTAL Informe EEA nº 28. 2002. GMOs: The significance of gene flow trough pollen transfer Cultivo Frecuencia de flujo genético por cruzamiento A cultivo A especies silvestres relacionadas Alto Alto Medio a alto Medio a alto Medio a alto Desconocido Bajo Bajo Bajo Bajo Bajo Bajo Medio a alto Medio a alto Medio a alto Medio a alto Rábano Remolacha Maíz Patata Trigo Cebada Fresa, manzana, vid, ciruela Frambuesa

31. Riesgos potenciales: TRANSFERENCIA HORIZONTAL BARRERAS AL FLUJO GENÉTICO: A. Biológicas: 1) Cleistogamia 2) Apomixis 3) Barreras de hibridación 4) Esterilidad masculina 5) Esterilidad de la semilla 6) Transformación de cloroplastos B. Biológicas: 1) Zonas de aislamiento 2) Cultivos barrera

32. Riesgos potenciales: EFECTOS SOBRE ORGANISMOS NO DIANA Informe EPA. 2000. Sobre posibles impactos de las plantas transgénicas Bt en la mariposa monarca No se ha detectado polen de maíz Bt a niveles tóxicos para las mariposas No hay solapamiento entre emisión de polen y cría de monarcas

33. PLANTAS TRANSGÉNICAS Y MEDIO AMBIENTE LAURA HUERTA MARTÍNEZ BIOTECNOLOGÍA Y SOCIEDAD Valencia, febrero 2003