European Biotech Week

European Biotech Week
Le biotecnologie in agricoltura
tra ricerca e coesistenza
Elisabetta Lupotto
Dipartimento di Biologia e Produzioni vegetali
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 1
European Biotech Week
The expected frontier: 9 billion people in 2050
The challange is to dramatically increase total
agricultural production in order to:
meet increased demand to secure global food
supply
respond to climate changes through adaptation
and mitigation measures
at the same time preserve and respect natural
resources and environment
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 2
European Biotech Week
Intensive agriculture and the Green revolution
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 3
European Biotech Week
Modern varieties and intensive agriculture
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 4
European Biotech Week
Wheat breeding and yield increase: from Nazareno Strampelli
to semi-dwarf modern wheat varieties
Piana di Gela (Sicilia) - 1930
1930
tons/ha
6
frumento tenero
5
Yield t/ha
4
3
2
Frumento duro
1
0
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Years
2010
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 5
European Biotech Week
Genetic progress of durum wheat
in a Mediterranean environment:
estimated genetic progress over 90 years: 20kg ha-1 y-1
1900
1920
1940
1960
1980
2000
1900
1920
1940
1960
1980
5
2000
50
40
12500
30
10000
1900
D
1920
1940
1960
Year of release
1980
2000
1900
1920
1940
1960
Year of release
1980
10
2000
65
25
20
40
75
y = -0.0351xA+ 133.4, R 2 = 0.41*
2
y = -0.1142x + 250.3, R = 0.60**
35
15
1900
30
25
20
15
1900
1940
1960
1920
1940
1960
1980
2000
y = -0.5131x + 1093, R 2 = 0.80***
B
2000
150
65
140
y = -0.5131x + 1093, R 2 = 0.80***
130
120
60
110
B 100
55
190090 1920
1940
1960
1980
2000
80
45
70
y = 0.079x - 116.9, R 2 = 0.66***
60
40
25 C
0
1900
1920
1940
1960 35 1980
2000
Year of release
30
C
1900
1980
Grain filling period
(days)
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
25
0
1920
70
60
1900
1920
1940
- 116.9, R
Modern dw cultivars flower abouty = 0.079x
10-12
days earlier than old ones
Modern dw cultivars yield about
2 t/ha more than old onesA
Plant height (cm)
30
1960
1980
45
2
= 0.66***
40
35
30
D
1900
1920
1940
1960
1980
Year of release
D
1920
1940
1960
1980
2000
1900
1920
Year of release
1940
1960
1980
55
2000
25
2000
Year of release
Modern dw cultivars are about 50
cm shorter than old ones
6
25
2000
Grain filling period
(days)
Heading time
(from 1/4)
C
70
Physiological maturity
(from 1/4)
20
Harvest Index (%)
y = 0.1750x - 310.2, R 2 = 0.84***
y = 41.02x - 69220, R 2 = 0.91***
Kernels m -2
Heading time
(from 1/4)
B
A
2
15000
y = -0.0351x + 133.4, R 2 = 0.41*
35
Plant height (cm)
Yield (t ha -1)
10
3
Biomass (t ha -1)
15
4
75
y = -0.1142x + 250.3, R 2 = 0.60**
Physiological maturity
(from 1/4)
y = -0.0066x + 0.0078, R 2 = 0.05ns
y = 0.0199x - 34.516, R 2 = 0.83***
5
7500
40
20
6
European Biotech Week
Heterosis in maize: from 0.4 to 15 tons/ha
P1 H P2
P1
H
P2
From local inbred varieties to hybrids
Nostrano dell’isola
Cinquantino
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 Marano
7
European Biotech Week
Rinnovamento varietale di fruttiferi in Italia
dal 1995 al 2013
(MACFRUT 2013 Fideghelli C.)
100
90
80
la
frago
melo
io
cilieg
70
60
50
40
o
pesc
o
albic
cco
no g
susi
.
man
dorlo
30
pero
no e
susi
.
20
10
0
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 8
European Biotech Week
Valori medi delle selezioni in avanzata fase di studio
Produzione media a pianta (g)
(MACFRUT2013 Faedi W.)
1400
1.091 (142)
1200
1000
800
768 (100)
893 (116)
1.231 (160)
+60%
600
400
200
0
1975
1985
1995
2010
anno
Attività di Miglioramento Genetico CRA-FRC – Cesena – pieno campo
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 Ottobre 2013
9
European Biotech Week
R
S
senza penetrazione penetrazione e sporulazione
CLSM analysis
Incidenza del brusone su
una working collection di
224 accessioni di riso
(CRA-RIS e
Parco Tecnologico Padano, 2010)
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 Varietà
Italiane
180
Varietà
straniere
44
R
17.2 %
41.5 %
S
82.8 %
58.5 %
10
European Biotech Week
Durable blast resistance in rice Gigante Vercelli:
identification of QTLs on chromosomes 1 and 4
Chr. 1
R
Chr. 4
S
LOD
LOD
LOD
cM
cM
(CRA-RIS, 2012)
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 11
11
European Biotech Week
crown-gall : un processo di ingegneria genetica
habitat
RB
LB
T-DNA
Opine: fonti di C ed N
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 12
European Biotech Week
I geni di Agrobacterium inducenti il crown-gall vengono
rimossi dal T-DNA e sostituiti con geni di interesse per la
costruzione di PGM
geni di Agrobacterium
RB
LB
geni di interesse
T-DNA
RB
LB
T-DNA
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 13
European Biotech Week
Le tecniche del DNA ricombinante e della coltura in vitro di
cellule e tessuti sono alla base della costituzione di PGM
TL
bar
pCaMV35S
HindIII
pCaMV35S 3’
LacZ alpha
TR
GUS
nos3’
pCaMV35S
nos3’
pUbi1
Ubi1 exon
Ubi1intron
introne
promotore
3250
b32
coding
950
poly-A
nos3’
295
bp
Costruzione di un gene chimerico e
clonaggio nel plasmide Ti entro il T-DNA
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 14
European Biotech Week
Agrobacterium come mediatore
di transgeni nelle cellule vegetali
geni di interesse
LB
RB
T-DNA
coltura in vitro
rigenerazione
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 PGM
15
European Biotech Week
In sintesi, la costruzione di una PGM necessita
di una serie di eventi:
- Corretta costruzione molecolare
- Corretta espressione e genetica
-  Controllo totale di tutte le caratteristiche della PGM
in tema di qualità, sicurezza etc.
-  Iter di registrazione specifico e controllato dagli
Organi preposti ai fini della sperimentazione e della
definitiva approvazione per il rilascio - Ministeri
- Ruolo della Commissione Europea e dell’European
Food Safety Authority (EFSA,Parma)
05/11/13
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 16
European Biotech Week
PGM attuali: quali geni?
Resistenze genetiche per la difesa delle colture e diserbo
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 17
European Biotech Week
Le PGM di prima generazione: Mais bt
Evento
Registrato
da
176
Monsanto
Novartis
KnockOut®
cry1 A(b) PEPC+
®
NaturGuard
pollen
BT11
Novartis
YieldGuard®
cry1 A(b) CaMV35S
si
MON810 Monsanto
YieldGuard®
cry1 A(b) CaMV35S
si
DBT418 Dekalb
BtXtraTM
cry1 A(c) CaMV35S
no
CBH351 AgrEvo
StarLinkTM
Nome
commerciale
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 Gene
Cry9 C
Promotore
CaMV35S
Approv.
Ue
si
no
18
European Biotech Week
Crescente adozione del mais bt:
Area coltivata (Mil ha)
% sul totale coltivato
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 19
European Biotech Week
Crescente adozione del cotone bt
Area coltivata (Mil ha)
% sul totale coltivato
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 20
European Biotech Week
Danno da piralide su mais e sviluppo di Fusarium
con conseguente produzione di micotossine
Vantaggi:
-  certezza di produzione
-  sanità del prodotto
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 21
European Biotech Week
Situazione mondiale adozione PGM nel 2012
(fonte ISAAA Brief 44-2012)
Totali ha coltivati: da 1,7 MIL ha nel 1996 a 170 MIL ha nel 2012
(16 annate agrarie valutate)
Nel 2012: PGM coltivate da 28 Paesi (8 Paesi industrializzati; nei
20 Paesi in via di sviluppo che adottano PGM vive il 60% della
popolazione mondiale); il 46% del prodotto PGM proviene da:
Cina, India, Brasile, Argentina e Sud Africa
USA maggior produttore con circa 70MIL ha, circa il 90% della
produzione sul totale delle specie coltivate; in Canada la
produzione di colza PGM rappresenta il 97,5%
Europa: presenza di circa 120.000 ha di mais Bt
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 22
European Biotech Week
Quali altri geni?
Le PGM di prima generazione sono caratterizzate
dalla presenza di geni di resistenza
(es. resistenza agli erbicidi totali; resistenza
ad insetti; resistenza a virus e nematodi etc.)
Le PGM di seconda e futura generazione
sono caratterizzate dalla presenza di geni che vanno a
toccare catene metaboliche per la produzione di
molecole di varia natura
(es. aumentato e/o migliorato contenuto proteico;
miglioramento qualitativo della frazione lipidica;
sintesi di metaboliti secondari ad azione antiossidante
sintesi di vitamine etc.)
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 23
European Biotech Week
Le piante come bioreattori
(AKSharma e MK Sharma, 2009, Biotechn Adv 27)
05/11/13
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 24
European Biotech Week
Review:
Unintended compositional changes in genetically modified crops: 20 years
of research (1993 – 2013)
Rod A.Herman, FDA, USA
J. Agric. Food Chem. DOI 10.1021/jf400135r – feb 15, 2013
data
risk
Genetically modified crop composition
time
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 time
25
European Biotech Week
La regolamentazione delle PGM in Europa
Gli OGM sono soggetti a strette norme legislative nella Ue
dall’inizio degli anni ’90.
La legislazione Ue ha due obiettivi principali:
a) Proteggere salute ed ambiente;
b) Assicurare il libero movimento di OGM approvati.
Le norme legislative Ue hanno subito una analisi
approfondita nel periodo 2000-2003 > legislazione
vigente (2003)
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 26
European Biotech Week
Fondamentali sono due documenti legislativi riguardanti gli
OGM:
Direttiva 2001/18/EC relativa al Rilascio deliberato di OGM
nell’ambiente
Obiettivi: protezione della salute e dell’ambiente
Due tipi di attività relativa ad OGM:
a)  Rilascio per motivi di sperimentazione & ricerca (Parte B)
b)  Commercializzazione di sementi GM, coltivazione,
importazione di seme GM e sua trasformazione (Parte C)
La Direttiva 2001/18/EC sostituisce la precedente 90/220/EEC
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 27
European Biotech Week
Regolamento (EC) No 1829/2003 relativo ad alimenti e
mangimi geneticamente modificati
Obiettivi:
a)  Proteggere la salute umana ed animale introducendo a
livello comunitario una valutazione di rischio estremamente
restrittiva, prima di ogni immissione sul mercato di GMO;
b)  Predisporre di procedure chiare e trasparenti per la
valutazione del rischio e l’autorizzazione di ogni OGM;
c)  Assicurare una chiara etichettatura dei derivati da OGM in
modo da informare opportunamente il consumatore.
- Tracciabilità
(http://gmo-crl.jrc.ec.europa.eu)
- Etichettatura
- Metodi di controllo
(The EU Legislation on GMOs – EUR 24279 – 2010)
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 28
European Biotech Week
La valutazione del rischio è presa in sede Comunitaria
L’autorizzazione a procedere per rilasciare sul mercato
un OGM è una decisione che viene presa in sede Ue in
quanto determina anche il libero transito attraverso gli
Stati membri.
La Commissione si basa sulla valutazione del rischio effettuata
da EFSA European Food Safety Authority – Parma
(valutazione olistica del nuovo OGM: medica, qualitativa,
tossicologica, chimica, biochimica, nutraceutica etc.)
(http://gmoinfo.jrc.ec.europa.eu; http://efsa.europa.eu )
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 29
European Biotech Week
Normativa per la COESISTENZA
Regole per la libera coltivazione
e possibilità di segregazione per
agricoltura convenzionale,
biologica e OGM
Obiettivo: evitare la presenza
accidentale di OGM in altri prodotti,
prevenire perdite economiche,
ed evitare conseguenze di commistione
tra prodotto convenzionale, biologico ed OGM
Marzo 2003: le Regole devono essere sviluppate dagli Stati Membri.
Coordinamento Ue: ECoB (European Coexistence Bureau)
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 30
European Biotech Week
European Coexistence Bureau (ECoB)
Best Practice Documents for coexistence
of genetically modified crops with
conventional and organic farming
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 31
European Biotech Week
La posizione dell’Europa e la valutazione del rischio
ambientale
Timori per la possibilità di:
a)  contaminazione con polline di PGM di colture
tradizionali, coltivazioni biologiche, habitat naturali,
ecosistemi sensibili;
b)  Interferenza con la biologia degli ecosistemi
ambientali;
c)  Potenziale rischio di perdita di biodiversità dei suoli e
biodiversità vegetale ed animale
d)  Altre interferenze non ancora valutate
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 32
European Biotech Week
Progetti LIFE Eu: monitoraggio della biodiversità in aree
ambientali protette e adozione di parametri oggettivi per
la valutazione del flusso genico in specie non-GM
presenti – due esempi di progetti in corso
Progetto LIFE DEMETRA (LIFE08 NAT/IT/000342)
Development of a quick Monitoring index as a tool to
assess Environmental impacts of TRAnsgenic crops
Coordinatore: Cristina Vettori, CNR-IGV, Firenze
Altri: Università di Firenze, Regione Toscana, Ente Parco
Regionale Migliarino, San Rossore, Massaciuccoli
Progetto LIFE+ MAN-GMP-ITA (LIFE08 NAT/IT/000334)
Validation of risk management tools for GMP in protected and
sensitive areas in Italy
Coordinatore: Salvatore Arpaia, ENEA, Roma
Altri: ISPRA, CRA, Consorzio In-Bio,
Università di Palermo
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 33
European Biotech Week
Il Dipartimento di Biologia e Produzioni Vegetali (CRA-DPV) ringrazia:
CRA-FRU, CRA-FRF
per i dati sul miglioramento varietale dei fruttiferi
CRA-CER, CRA-GPG, CRA-RIS, CRA-MAC
per i dati relativi a frumenti, riso e mais
I progetti LIFE DEMETRA e MAN-GMP-ITA
e tutti voi per l’attenzione!
Accademia dei Georgofili – Firenze 4 O5obre 2013 34