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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