Approfondimenti

OGM in campo agricolo - I caratteri genetici maggiormente inseriti nei vegetali

• Tolleranza agli erbicidi
• Resistenza ad insetti
• Resistenza a virus patogeni
• Maschio-sterilità e recupero della fertilità

Tolleranza agli erbicidi

a) Glufosinate d’ammonio

Il glufosinate è un composto naturale isolato per la prima volta da due specie di attinomiceti (Streptomyces viridochromogenes e S. hygroscopicus)
Il glufosinate possiede una grande similitudine con l’amminoacido glutammato è in grado di inibire l’enzima glutamina sintetasi (responsabile della trasformazione di glutammato in glutammina e della detossificazione dell’ammoniaca) bloccando il metabolismo delle cellule vegetali.
L’erbicida glufosinate ha un largo spettro d’azione ma non è selettivo, non distingue cioè tra le parti verdi delle infestanti e quelle della coltura di interesse agrario. Per poter essere utilizzato nei seminativi la specie coltivata deve essere resa tollerante al glufosinate stesso.
La tolleranza al glufosinate è stata ottenuta inserendo nelle colture di interesse agrario un gene (gene pat isolato in S.viridochromogenes e gene bar isolato in S. hygroscopicus) codificante per un enzima (Fosfinotricina Acetil Transferasi o PAT) che inattiva chimicamente il glufosinate mediante acetilazione.
Il glufosinate d’ammonio è il principio attivo presente in alcuni diserbanti totali quali Basta®, Rely®, Finale®, Challenge®, Liberty®

b) Glifosate

L’enzima 3-enolpiruvil-shikimat-5-fosfato-sintetasi (EPSPS) interviene nella biosintesi degli amminoacidi aromatici e si trova nei plastidi o nei cloroplasti delle piante.
L’erbicida glifosate (N-fosfonometilglicina) è un inibitore competitivo dell’enzima EPSPS poiché molto simile al suo substrato, il fosfoenolpiruvato (PEP).
La tolleranza al glifosate si ottiene inserendo nel genoma vegetale il gene per l’enzima EPSPS isolato da Agrobacterium tumefaciens cp. C4, che ha la caratteristica di essere molto poco inibito dal glifosate stesso.
Il glifosate è il principio attivo presente nel diserbante totale Roundup®

c) Tolleranza alle sulfonyluree (trialsulfuron,metsulfuron-methyl, chlorsolfuron) e all’imidazolinone

L’enzima acetolattato sintasi (ALS) catalizza il primo passaggio nella biosintesi degli amminoacidi essenziali isoleucina, leucina e valina. Gli erbicidi appartenenti alla categoria delle sulfonyluree e dell’imidazolinone inibiscono l’attività dell’enzima ALS, provocando una diminuzione della sintesi delle proteine nella pianta, con conseguente arresto della crescita e morte della stessa.
In alcune specie vegetali, quali Arabidopsis thaliana e Nicotiana tabacum, i geni che codificano per l’enzima ALS presentano delle mutazioni (naturali o indotte) sufficienti per alterare nella proteina il sito di legame con l’erbicida.
La tolleranza a queste categorie di erbicidi viene ottenuta inserendo nel genoma della specie vegetale di interesse il gene per l’enzima ALS mutato che ha la caratteristica quindi di essere poco inibito dall’erbicida.

La resistenza agli insetti

Nel genoma di un comune batterio del suolo, il Bacillus thuringiensis, è presente un gene che contiene l’informazione per la sintesi della proteina Cry, una delta-endotossina. Questa proteina è in grado di legarsi selettivamente a specifici recettori, localizzati nell’epitelio intestinale delle larve di alcune specie di insetti. Il legame della proteina con i recettori provoca la formazione di pori catione-specifici che, distruggendo il flusso ionico dell’epitelio intestinale, portano alla morte le larve in pochi giorni.
Esistono diversi tipi di proteine Cry (per esempio la Cry3A, la Cry1Ab, la Cry9c etc.) prodotte da differenti sottospecie di Bacillus thuringiensis che esibiscono una elevata specificità di azione nei confronti dei diversi tipi di insetti. Questa specificità è attribuita alla presenza di specifici recettori nelle specie di insetti target.
Per conferire il carattere di resistenza nei confronti di un particolare tipo di insetto ad una specie vegetale è sufficiente introdurre nel suo genoma il gene che codifica per la tossina Cry specifica per quell’insetto. In tal modo la pianta sarà in grado di produrre la proteina Cry che esplicherà la sua funzione bioinsetticida quando l’insetto dannoso attacca la pianta cibandosi dei suoi tessuti.
Sulla superficie delle cellule intestinali dei mammiferi non sono presenti recettori per le tossine Cry e quindi gli animali e l’uomo non sono suscettibili all’azione di queste proteine.

La resistenza a virus patogeni

Uno dei meccanismi più diffusi sviluppati per ottenere piante resistenti a virus consiste nell’inserimento nel genoma vegetale di sequenze di DNA virale, codificanti per la proteina di rivestimento del virus stesso (CP, coat protein). L’introduzione delle sequenze virali non provoca la formazione di particelle infettive, né la sua espressione induce lo sviluppo della malattia. Le piante così modificate presentano una "resistenza patogeno-derivata" all’infezione virale e, sebbene il meccanismo attraverso il quale si manifesta la protezione virale rimanga ancora sconosciuto, evidenze sperimentali suggeriscono che l'espressione delle proteine virali CP nella pianta interferisca con uno dei primi steps della replicazione virale, cioè la perdita delle proteine di rivestimento da parte del virus appena entrato nella cellula.
La resistenza ai virus può essere conseguita anche mediante l’inserimento, nel genoma di organismi vegetali, di sequenze virali che codificano per l’enzima replicasi. Sebbene anche in questo caso il meccanismo su cui si basa la protezione virale non sia stato ancora completamente compreso, sembra che l’espressione del gene virale possa comportare il silenziamento della traduzione di geni del virus.

Maschio-sterilità e recupero della fertilità

Gli ibridi si possono considerare come forme superiori di varietà di piante agricole coltivate che derivano da genitori geneticamente differenti. L’incrocio tra individui senza legami di parentela porta infatti al cosiddetto vigore ibrido o eterosi. Gli ibridi presentano quindi rese più elevate rispetto alla migliore varietà non ibrida della stessa coltura e manifestano maggior resistenza agli stress ambientali, alle infestanti e alle malattie.
Per produrre semi ibridi è necessario evitare che avvenga l’autofecondazione in uno dei due genitori, eliminando meccanicamente (se la pianta porta fiori maschili e femminili sulla stessa pianta come nel caso del mais o addirittura organi riproduttori maschili e femminili sullo stesso fiore) la sua parte maschile, rendendolo così maschio-sterile.
Una linea parentale può essere resa maschio-sterile anche per via genetica, introducendo nel suo genoma il gene barnase (isolato dal Bacillus amyloliquefaciens e codificante per l’enzima ribonucleasi) controllato da un promotore che ne permette l’espressione solo nelle cellule del tappeto del sacco pollinico. L’RNAsi impedisce la produzione di RNA, distruggendo le cellule e arrestando lo sviluppo delle antere.
La progenie ibrida deve essere in grado di sviluppare organi riproduttori maschili e femminili funzionanti per poter produrre frutti.
Nella seconda linea parentale viene quindi inserito il gene barstar (isolato anch’esso dal Bacillus amyloliquefaciens) che codifica per un enzima in grado di inibire la ribonucleasi.
Quando una linea maschio-sterile MS (contenente il gene barnase) viene incrociata con una linea parentale contenente il gene ristoratore della fertilità RF (barstar), si potranno ottenere dei semi ibridi che daranno origine a piante fertili, in grado di sviluppare antere normali che produrranno polline.