European Biotech Week

(1)

Accademia dei Georgoﬁli – Firenze 4 O5obre 2013 1

Elisabetta Lupotto

Dipartimento di Biologia e Produzioni vegetali

European Biotech Week

Le biotecnologie in agricoltura

tra ricerca e coesistenza

(2)

European Biotech Week

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

The expected frontier: 9 billion people in 2050

(3)

European Biotech Week

Intensive agriculture and the Green revolution

(4)

European Biotech Week

Modern varieties and intensive agriculture

(5)

European Biotech Week

0 1 2 3 4 5 6

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Yield t/ha

Years

frumento tenero Piana di Gela (Sicilia) - 1930 1930

2010

Wheat breeding and yield increase: from Nazareno Strampelli to semi-dwarf modern wheat varieties

tons/ha

Frumento duro

(6)

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

2 3 4 5 6

y = 0.0199x - 34.516, R2 = 0.83***

Yield (t ha-1)

A

1900 1920 1940 1960 1980 2000

y = -0.0066x + 0.0078, R² = 0.05ns

5 10 15 20

B

Biomass (t ha-1)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

7500 10000 12500 15000

y = 41.02x - 69220, R2 = 0.91***

Year of release

Kernels m-2

C

1900 1920 1940 1960 1980 2000

y = 0.1750x - 310.2, R² = 0.84***

D

10 20 30 40 50

Year of release

Harvest Index (%)

Modern dw cultivars yield about 2 t/ha more than old ones

Modern dw cultivars flower about 10-12 days earlier than old ones

1900 1920 1940 1960 1980 2000

15 20 25 30 35 40

y = -0.1142x + 250.3, R² = 0.60**

A Heading time (from 1/4)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

y = -0.0351x + 133.4, R² = 0.41*

55 60 65 70 75 (from 1/4) Physiological maturity

B

1900 1920 1940 1960 1980 2000

0 25

y = -0.5131x + 1093, R² = 0.80***

C 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Year of release

Plant height (cm)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

y = 0.079x - 116.9, R² = 0.66***

25 30 35 40 45

Year of release

Grain filling period(days)

D

1900 1920 1940 1960 1980 2000

15 20 25 30 35 40

y = -0.1142x + 250.3, R² = 0.60**

A Heading time (from 1/4)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

y = -0.0351x + 133.4, R² = 0.41*

55 60 65 70 75 (from 1/4) Physiological maturity

B

1900 1920 1940 1960 1980 2000

0 25

y = -0.5131x + 1093, R² = 0.80***

C 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Year of release

Plant height (cm)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

y = 0.079x - 116.9, R² = 0.66***

25 30 35 40 45

Year of release

Grain filling period(days)

D

Modern dw cultivars are about 50

(7)

European Biotech Week

Heterosis in maize: from 0.4 to 15 tons/ha

P1 H P2 P1 H P2

7

From local inbred varieties to hybrids

Marano Cinquantino

Nostrano dell’isola

(8)

European Biotech Week

Rinnovamento varietale di fruttiferi in Italia dal 1995 al 2013

(MACFRUT 2013 Fideghelli C.)

fragola

melo

ciliegio

pesco

albicocco

mandorlo

pero

susino e.

susino g.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(9)

Accademia dei Georgofili – Firenze 4 Ottobre 2013 9

European Biotech Week

Produzione media a pianta (g)

768 (100) 893 (116)

1.091 (142) 1.231 (160)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

1975 1985 1995 2010

Valori medi delle selezioni in avanzata fase di studio

(MACFRUT2013 Faedi W.)

+60%

Attività di Miglioramento Genetico CRA-FRC – Cesena – pieno campo anno

(10)

European Biotech Week

R S

senza penetrazione penetrazione e sporulazione

Varietà Italiane

180

Varietà straniere

44

R 17.2 % 41.5 %

S 82.8 % 58.5 %

Incidenza del brusone su una working collection di 224 accessioni di riso

CLSM analysis

(CRA-RIS e

Parco Tecnologico Padano, 2010)

(11)

European Biotech Week

11 LOD

cM

Chr. 1 Chr. 4

cM

Durable blast resistance in rice Gigante Vercelli:

identification of QTLs on chromosomes 1 and 4

LOD

R S

LOD

(CRA-RIS, 2012)

(12)

European Biotech Week

crown-gall : un processo di ingegneria genetica

T-DNA

LB RB

habitat

Opine: fonti di C ed N

(13)

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

T-DNA

LB RB geni di interesse

T-DNA

LB RB

geni di Agrobacterium

(14)

European Biotech Week

Le tecniche del DNA ricombinante e della coltura in vitro di cellule e tessuti sono alla base della costituzione di PGM

HindIII

pUbi1 Ubi1 exon Ubi1intron pCaMV35S

b32

nos3’

TL TR

pCaMV35S LacZ alpha bar

pCaMV35S 3’

GUS

bp

3250 950 295

Costruzione di un gene chimerico e clonaggio nel plasmide Ti entro il T-DNA

promotore introne coding

poly-A

(15)

European Biotech Week

Agrobacterium come mediatore di transgeni nelle cellule vegetali

PGM

geni di interesse

T-DNA

LB RB

geni di interesse

coltura in vitro

rigenerazione

(16)

European Biotech Week

05/11/13

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)

(17)

European Biotech Week

PGM attuali: quali geni?

Resistenze genetiche per la difesa delle colture e diserbo

(18)

European Biotech Week

Le PGM di prima generazione: Mais bt

Evento Registrato

da Nome

commerciale Gene Promotore Approv.

Ue

176 Monsanto

Novartis KnockOut^® NaturGuard^®

cry1 A(b) PEPC+

pollen si

BT11 Novartis YieldGuard^® cry1 A(b) CaMV35S si MON810 Monsanto YieldGuard^® cry1 A(b) CaMV35S si DBT418 Dekalb BtXtra^TM cry1 A(c) CaMV35S no CBH351 AgrEvo StarLink^TM Cry9 C CaMV35S no

(19)

European Biotech Week

Crescente adozione del mais bt:

Area coltivata (Mil ha) % sul totale coltivato

(20)

European Biotech Week

Crescente adozione del cotone bt

Area coltivata (Mil ha) % sul totale coltivato

(21)

European Biotech Week

Danno da piralide su mais e sviluppo di Fusarium con conseguente produzione di micotossine

Vantaggi:

-  certezza di produzione -  sanità del prodotto

(22)

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

(23)

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.)

(24)

05/11/13

Le piante come bioreattori

(AKSharma e MK Sharma, 2009, Biotechn Adv 27)

European Biotech Week

(25)

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

Genetically modified crop composition

time

data risk

time

(26)

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)

(27)

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

(28)

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.

(The EU Legislation on GMOs – EUR 24279 – 2010)

- Tracciabilità - Etichettatura

- Metodi di controllo

(http://gmo-crl.jrc.ec.europa.eu)

(29)

European Biotech Week

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 )

La valutazione del rischio è presa in sede Comunitaria

(30)

European Biotech Week

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)

Normativa per la COESISTENZA

(31)

European Biotech Week

European Coexistence Bureau (ECoB)

Best Practice Documents for coexistence of genetically modified crops with

conventional and organic farming

(32)

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

(33)

European Biotech Week

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

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

(34)

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!