Felice Cervone

Dip. Biologia e Biotecnologie “Charles Darwin”Sapienza Università di Roma

L’ ingegneria genetica per uno svilupposostenibile: agricoltura, energia,

ambiente

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 dazucchero•Riso•Peperoni

Pomodoro(1994)

Flavr Savr Calgene Antisenso poligalatturonasiper rammollimentorallentato(non più in commercio)

CotoneMaisPatata(1996-97)

BollgardNewLeafYieldGuard

Monsanto Tossina Bt di Bacillus thuringiensis per resistenza a insetti

SoiaRapa da semeCotone(1995-96)

Riso(2005)

Roundup Ready

Golden Rice

Monsanto

Syngenta

Resistenza all’erbicidaglifosato

Biosintesi della Vitamina A

Area globaleArea Area globaleglobale1996-2001

11.00

27.80

39.9044.20

52.50

1.70-

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

1996 1997 1998 1999 2000 2001

in milioni di ha

Stati Uniti

53%

9%

16%

27%26%

55%

13%

48%

7%

35%

23%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

1996 1997 1998 1999

% A

rea

colti

vata

Mais Cotone Soia

Canada

5%

65%

47%

50%

35%

3%

38%

6%

20%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

1996 1997 1998 1999

Rapa da olio Mais Soia

% A

rea

colti

vata

Argentina: soia transgenica

2%

65%+

50%

23%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

1996 1997 1998 1999

% A

rea

colti

vata

* La trasformazione mediata da Agrobacterium

* La trasformazione diretta con DNA(tecniche biolistiche, elettroporazione, permeabilizzazione di protoplasti mediata da PEG)

• 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

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 resistentiall’antibiotico -> trasformanti primari

Rigenerazione di piantine da calli trasformati -> se il transgenesi è integrato stabilmente nel genoma, viene trasmesso allaprogenie -> linea transgenica

Cannoncino biolistico (“gene gun”)

Particelle metallichemicroscopichericoperte di DNA e sparate ad altapressione direttamentenelle cellule

Cannoncinobiolistico

(“gene gun”)

PDS1000 Microparticle Delivery System

Helium chamber

Rupture disk

Macrocarrier

DNA coated gold particle

Stopping screen

Focusing device

Target tissue

Fotosintesi: processo di trasduzione dell’energia luminosa in energia chimica

22222 OOHO)(CHOH2CO ++→+

LUCE

ΔG = 4,8 x 105 J/mole

Sintesi di amido e saccarosioSintesi 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 materialecellulare vegetale (biomassa) ed è principalmente composta da polisaccaridi

Cellulosa

Catene lineari di β-D-glucosio uniti con legami 1 4

Legami H tra 20-40 catene formano una microfibrilla

Unità ripetuta è il cellobiosio

Forza tensile come l’acciaio

Fase fibrillare

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

Cellulose Hemicellulose Pectinxyloglucan

galactomannan

arabinoxylan

Homogalacturonan

Ca2+-crosslinked

non-methylesterifiedmethylesterified

Rhamnogalacturonan

RG II(boron-diester)

RG I(galactan) (arabinan)

Pectin

The Plant Cell Wall

Cellulose Hemicellulosexyloglucangalactomannanarabinoxylan

The Plant Cell Wall

Cellulose

WT Piante trasformate

Tessuti di piante trasformate facilmentedegradabili