Boletín N˚ 97 – Agosto 2010

Alternativas en bioseguridad ambiental de arroz: genes de mitigación para prevenir el establecimiento de transgenes en agroecosistemas.

Investigadora: Griselda Arrieta Espinoza.

Breve descripción de su formación académica: Griselda Arrieta Espinoza es Ingeniera Agrónoma con una maestría en Biotecnología de la Universidad de Costa Rica ha sido investigadora del Centro de Investigación en Biología Celular y Molecular de la Universidad de Costa Rica desde 1995. Investiga en el área de la Biotecnología Aplicada con el objetivo de aplicar ingeniería genética como herramienta para el mejoramiento de cultivos. Asimismo, ha realizado aportes a la ciencia en relación con la evaluación del flujo de genes del arroz genéticamente modificado con resistencia a herbicidas al complejo de arroz maleza y a especies relacionadas del género Oryza en condiciones tropicales.

Máster Griselda Arrieta Espinoza.

Investigadores asociados: Dr. Bernal Valverde, Investigador Dept. Agricultural Sciences, Faculty of Life Sciences, University of Copenhagen, Dinamarca e IDEATropical, S. A (Investigación y Desarrollo en Agricultura Tropical). Aporta su experiencia en relación a la caracterización, biología, ecología, manejo del arroz maleza, flujo de genes, fisiología y manejo de malezas resistentes a herbicidas. El Dr. Jonathan Gressel professor emérito del Weizmann Institute of Science, Israel. Es un eminente investigador en varias áreas de las ciencias vegetales. Desarrolló el concepto de la tecnología de mitigación y para la ejecución del proyecto facilitó el plásmido TM para la transformación genética del arroz.

Nombre de la Investigación: Alternativas en bioseguridad ambiental de arroz: genes de mitigación para prevenir el establecimiento de transgenes en agroecosistemas. CONICIT: FV-054-07 y Vicerrectoría de Investigación - Universidad de Costa Rica: 801-A8-508

Justificación de la investigación: El arroz (Oryza sativa L.) es uno de los principales alimentos a nivel mundial. En Costa Rica, provee la tercera parte del porcentaje diario de calorías con un consumo per cápita de 53.42 kg por año (http://www.conarroz.com/). La producción de arroz está severamente limitada por la presencia del complejo de arroz maleza (arroz rojo) (Arrieta-Espinoza et al. 2005). El uso de variedades con resistencia a herbicidas (RH) es actualmente una alternativa viable para el control del arroz maleza debido a la similitud fisiológica entre el arroz cultivado y el arroz rojo. Sin embargo, su uso plantea una serie de interrogantes con respecto al flujo de genes (Sánchez et al. 2009) y la posible introgresión de la característica y otros aspectos de importancia agronómica al arroz maleza que podría incrementar su competitividad (Arrieta-Espinoza et al. 2002).

         El concepto TM (“Transgenic mitigation” por sus siglas en inglés) propone la utilización de un gen de mitigación junto con el gen de interés al realizar la modificación por ingeniería genética. En el caso del arroz, la eventual producción de híbridos arroz maleza-variedad-RH el gen de mitigación reduciría la competitividad y la descendencia de los híbridos. Por lo que se esperaría una disminución en la posibilidad de introgresión del gen (Gressel 2005) y se minimizaría el flujo de genes en arroz.

         El concepto de mitigación transgénica se validó con resultados positivos en dicotiledóneas como el tabaco y la colza genéticamente modificadas con el plásmido TM1 (Δgai (enanismo)- ahasR (resistencia a imazapir) (Al-Ahmad et al. 2004, 2006). En ambos cultivos tabaco (Al-Ahmad et al. 2004, 2005) y colza (Al-Ahmad et al. 2006) las plantas modificadas con el gen TM fueron más productivas que las no transformadas y la característica de enanismo fue desventajosa para las malezas que introgresaron el gen. La presente investigación, plantea como hipótesis de trabajo que al modificar genéticamente el arroz cultivado con el plásmido TM1 se obtendrán plantas de arroz-TM que en caso de cruzarse con el arroz maleza producirían híbridos menos competitivos que las plantas que les dieron origen. Se espera que la estrategia de mitigación sea una alternativa para prevenir el establecimiento de transgenes en el arroz maleza al reducir su adaptabilidad y la de su descendencia en los agroecosistemas.

Objetivo general: La investigación tiene como objetivo general evaluar el uso de la tecnología TM (mitigación de transgenes) con de los genes Δgai (insensibilidad al ácido giberélico) y ahasR (acetolactato sintetasa) que confieren enanismo y resistencia al herbicida imazapir, respectivamente, como modelo de mitigación del flujo de genes del arroz cultivado al arroz maleza.

Resultados: Se obtuvieron 7 líneas de plantas transgénicas de arroz (T0) modificadas con los plámidos TM1 y pWRG 1515. Estas plantas contienen respectivamente los genes Δgai (enanismo)-ahasR (resistencia al herbicida imazapir) y el gen de resistencia a higromicina. Se realizaron pruebas moleculares para identificar la presencia del gen Δgai en las plantas transgénicas (Figura 1).

         Se clonó el gen sha1 en el vector pGEM-T. Este gen controla el desgrane de la semilla de arroz y se aisló a partir de plantas de arroz rojo las cuales presentan un alto porcentaje de desgrane. Asimismo, se construyó un nuevo plásmido de mitigación (PAL76-RNAi-Sha1) con la finalidad de implementar una estrategia de silenciamiento del gen sha1 por medio de la interferencia del ácido ribonucleico (ARNi).

         Se implementaron en el Centro de Investigación en Biología Celular y Molecular (CIBCM) en la Universidad de Costa Rica los protocolos de transformación genética de arroz de subespecies japonica con las variedades Nipponbare y EYI-05 utilizando embriones maduros como tejido blanco y de la subespecie indica utilizando embriones inmaduros.

         Se estableció una importante relación interinstitucional de colaboración con el “Laboratory of Applied Plant Biotecnology” de la Universidad de Lleida (Udl), Cataluña, España liderado por el Dr. Paul Christou y la Dra. Teresa Capell. Gracias a ello, se transfirieron al CIBCM-UCR plásmidos pWRG 1515 (resistencia a la higromicina y el gen marcador de la β-glucoronidasa (GUS) y PAL76 (promotor Ubi y terminador Nos) específicos para la expresión de genes en cereales y el clonaje de los genes.

         En forma paralela, en el CIBCM se obtuvo un protocolo eficiente para la multiplicación masiva de callos embriogénicos de arroz (Oryza sativa L) de la subespecie indica mediante un sistema de inmersión temporal automatizado (RITA®). De esta manera se obtuvo una gran cantidad de tejido blanco para la transformación genética del arroz.

Transformación genética de arroz de la subespecie indica por medio de embriones inmaduros.

Equipo de investigación: la ejecución de este proyecto permitió mantener un equipo de investigación en el cual participan e interactúan investigadoras y estudiantes con distintos niveles de formación de las carreras de Biología y Agronomía de la Universidad de Costa Rica. Asimismo, por medio de su participación en el proyecto los estudiantes complementan su formación académica ya que durante su participación en el proyecto tuvieron acceso a un laboratorio de investigación en donde tuvieron la posibilidad de realizar experimentos de biología molecular, ingeniería genética, cultivo de tejidos vegetales entre otros.

Equipo de Investigación del CIBCM: Cindy Aguilar Bartels (Ing. Agrónoma); Ana Catalina García Arias (Ing. en Biotecnología); Elena Vásquez (Estudiante de Biología); Griselda Arrieta Espinoza (MSc. Investigadora principal); Mario Quesada (Estudiante de Agronomía) y Laura Sánchez (Tesiaria de licenciatura en Biología).

Referencias:

Al-Ahmad, H., S. Galili and J. Gressel. 2004. Tandem constructs to mitigate transgene persistence: tobacco as a model. Molec. Ecol. 13:697-710.

Al-Ahmad, H., S. Galili and J. Gressel. 2005. Poor competitive fitness of transgenically mitigated tobacco in competition with the wild type in a replacement series. Planta 272:372-385.

Al-Ahmad and J. Gressel. 2006. Mitigation using a tandem construct containing a selectively unfit gene precludes establishment of Brassica napus transgenes in hybrids and backcrosses with weedy Brassica rapa. Plant Biotech. J. 4:23-33.

Arrieta-Espinoza G, Quesada T, Gamboa E, Sánchez E & Espinoza AM. 2002. Transgenic rice and gene flow assessment to wild and weedy rice species in Costa Rica. In: Roseland CR (ed) Proceedings of an International Conference on LMOS and the Environment, Raleigh, North Carolina, November 27-30, 2001

Arrieta-Espinoza G, Sánchez E, Lobo J & Espinoza AM. 2005. The weedy rice complex in Costa Rica. I. Morphologic study of relationships between commercial rice varieties, wild Oryza relatives and weedy rice. Genet. Res. Crop Evol. 52:575-587

Gressel, J. and H. Al-Ahmad. 2005. Molecular containment of genes within crops, prevention of gene establishment in volunteer offspring and feral strains. Pages 371-388 in J. Gressel, ed. Crop Ferality and Volunteerism. Boca Raton: CRC Press, Taylor and Francis Group.

Sánchez-Olguín E.R, Arrieta-Espinoza G., Lobo J & Espinoza A.M. 2009. Assessment of gene flow from herbicide-resistant indica rice (Oryza sativa) to the Costa Rican weedy rice in Tropical America: factors affecting hybridization rates and characterization of F1 hybrids. Transgenic Research. 18 (4): 633-647.DOI: 10.1007/s11248-009-9255-2.