L ingegneria genetica per uno sviluppo sostenibile: agricoltura, energia, ambiente

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Gianmaria Motta
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Biologia e Biotecnologie Charles Darwin Sapienza

1 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

3 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.

7 Golden Rice Ye et al., 2000 "Engineering the Provitamin A (ß-Carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotenoid-Free) Rice Endosperm, Science 287,

11 Evoluzione del frumento a partire dai suoi genitori selvatici

13 Aumento nelle dimensioni del mais fra il 1500 a.c e il 1500 d.c. 3 cm

14 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.

17 Trasformazione genetica delle piante

18 Colture GM che sono state fino ad ora commercializzate Mais Soia Cotone Rapadaolio Cavolfiore Pomodoro Barbabietola Papaya Patata Cavolo Erba medica Tabacco Canna da zucchero Riso Peperoni

19 Pomodoro (1994) Flavr Savr Calgene Antisenso poligalatturonasi per rammollimento rallentato (non più in commercio) Cotone Mais Patata ( ) Bollgard NewLeaf YieldGuard Monsanto Tossina Bt di Bacillus thuringiensis per resistenza a insetti Soia Rapa da seme Cotone ( ) Roundup Ready Monsanto Resistenza all erbicida glifosato Riso (2005) Golden Rice Syngenta Biosintesi della Vitamina A

20 Area globale in milioni di ha

21 Stati Uniti 70% 60% 55% 53% 50% 48% % Area coltivata 40% 30% 20% 10% 0% 35% 26% 27% 23% 13% 16% 9% 7% Mais Cotone Soia

22 Canada 70% 65% 60% 50% 50% 47% % Area coltivata 40% 30% 20% 35% 38% 20% 10% 5% 3% 6% 0% Rapa da olio Mais Soia

23 Argentina: soia transgenica 70% 65%+ 60% 50% 50% % Area coltivata 40% 30% 20% 23% 10% 0% 2%

24 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 protoplasti mediata da PEG)

26 La trasformazione mediata da Agrobacterium Galla del colletto

28 Agrobacterium tumefaciens

29 Gene(i) di interesse

39 Infezione di dischetti di tessuto fogliare con Agrobacterium -> dopo un certo tempo, i batteri sono uccisi con un antibiotico

40 Solo le cellule trasformate danno origine a calli resistenti all antibiotico -> trasformanti primari

41 Rigenerazione di piantine da calli trasformati -> se il transgene si è integrato stabilmente nel genoma, viene trasmesso alla progenie -> linea transgenica

43 Cannoncino biolistico ( gene gun ) Particelle metalliche microscopiche ricoperte di DNA e sparate ad alta pressione direttamente nelle cellule

44 Cannoncino biolistico ( gene gun ) Helium chamber Rupture disk Macrocarrier DNA coated gold particle Stopping screen Focusing device PDS1000 Microparticle Delivery System Target tissue

50 Fotosintesi: processo di trasduzione dell energia luminosa in energia chimica LUCE CO H O (CH O) H O O ΔG = 4,8 x 10 5 J/mole

53 Sintesi di amido e saccarosio

54 o

Sugarcane Monocot, Family Poaceae, Genus Saccharum. More than 30 species. Cultivated in Brazil since 1530. Production of ethanol/year: 27.512.

55 Sugarcane Monocot, Family Poaceae, Genus Saccharum. More than 30 species. Cultivated in Brazil since Production of ethanol/year: 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.

57 Cellule dopo la digestione della parete cellulare: Protoplasti

58 La parete cellulare rappresenta il 70-75% del materiale cellulare vegetale (biomassa) ed è principalmente composta da polisaccaridi

59 Fase fibrillare Cellulosa Catene lineari di β-dglucosio uniti con legami 1 4 Legami H tra catene formano una microfibrilla Unità ripetuta è il cellobiosio Forza tensile come l acciaio

63 Plants: a significant proportion of the biomass on Earth Credit: Don Deering, NASA/LBA Project

67 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

68 Pectin Cellulose Hemicellulose Pectin xyloglucan galactomannan arabinoxylan Homogalacturonan Ca 2+ -crosslinked non-methylesterified methylesterified RG I (galactan) (arabinan) Rhamnogalacturonan RG II (boron-diester)

69 The Plant Cell Wall Cellulose Hemicellulose xyloglucan galactomannan arabinoxylan

70 Cellulose The Plant Cell Wall

71 Tessuti di piante trasformate facilmente degradabili WT Piante trasformate

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