Como produzir alimentos transgénicos com maior valor nutritivo

(1)

Como produzir alimentos

transg

é

nicos com maior

valor nutritivo

Marta Vasconcelos 3º Ciclo FFUP 4 Março 2010

(2)

A melhor forma de evitar deficiências nutritivas é ter uma dieta variada, rica em vegetais, frutas e produtos animais

Quando eu recomendei uma dieta variada não me referia a todas as

variedades de chocolate do supermercado!

(3)

“Biofortificação”

Estratégia sustentável que visa

aumentar teor em Zn, Vit A e Fe

A segunda melhor abordagem, especialmente para queles que não têm possibilidade de fazer

uma dieta variada, é a de comer alimentos densos em nutrientes

(4)

Biofortificação

Fortificação:

• Enriquecimento de alimentos durante a colheita ou

processamento de forma a aumentar o conteúdo nutricional

Biofortificação:

• Utilização de variedades melhoradas que têm a

capacidade de absorver, repartir, e/ou sintetizar

maiores níveis de nutrientes durante o seu

crescimento, de forma a que os produtos colhidos tenham conteúdos nutricionais mais elevados.

(5)

Deficiência em

micronutrientes

Fe: 33 a 50% da população em risco.

Zinc: ???????? (mesmo que Fe?)

Vitamina A: 250 milhões pessoas com deficiência

(6)

Crescimento populacional: países desenvolvidos vs. países em desenvolvimento

(7)

(8)

(9)

Linha de probreza: % população que vive com menos de 2 e 1

(10)

Alimentos mais nutritivos

Hibridação convencional

Biodisponibilidade

Fortificação

Económico-social

Educação/disseminação

(11)

Alimentos base

Arroz integr. Arroz polido Trigo Milho Feijão Cassava Fe Conc. (mg/kg) 6 - 25 1 - 14 10 - 99 10 - 63 34 - 111 4 - 76 Zn Conc. (mg/kg) 14 - 59 14 - 38 8 - 177 12 - 58 21 - 54 3 - 38 Beta-caroteno (mg/kg) 0 - 1 0 0 - 20 0 - 10 0 1 - 24

(12)

Beans Maize Cassava Maize Beans Cassava Maize S.Potato Wheat Rice Beans Cassava Maize

Biofortificação: Impacto

(13)

Quais

os

_os

processos

_processos

metab

ó

_ó

licos

_licos

cr

_cr

í

_í

ticos

_ticos

e

_e

como

podem

_podem

ser

_ser

manipulados

para

_para

aumentar

o

_o

conte

_conte

ú

_ú

do

_do

nutricional

em

_em

alimentos

_alimentos

vegetais

(14)

Aquisição ferro raizes (Dicot)

Apoplasto

_Simplasto

Fe(III)-chelate chelate e -ATP H+ Fe2+ Transporter (IRT) Reductase (FRO) Zn2+ Transporter (ZIP)

(15)

Aquisição ferro raizes (herb)

Apoplasto

Simplasto

Fe(III) phytosiderophore Fe2+_/Zn2+ Transporter (ZIP) Transporter (YSL) phytosiderophore Fe(III)-phytosiderophore Fe(III)-phytosiderophore Fe3+ Fe2+_/Zn2+

(16)

Percursos de transporte mineral na

planta

Leaf Apoplasm Leaf Symplasm

Roots Seeds Xylem Phloem M M M M M M = Metal

(17)

Famílias de genes importantes nas

plantas para nutrientes minerais

•

Biosynthetic genes

•

Phytosiderophores, Nicotianamine

•

Divalent metal transporters

•

ZIPs, NRAMPs, CE (cation efflux) family, etc.

•

Metal-chelate transporters

•

YSL (Yellow-Stripe Like) family members

•

Metal storage

(18)

Alimentos transgénicos: alguns

exemplos práticos



 BiofortificaBiofortificaççãoão de alimentos atravde alimentos atravéés da s da

biotecnologia



Arroz com ferro



Arroz dourado



(19)

Aumento da

concentra

ç

_ç

ão de ferro e

_{ão de ferro e}

zinco em arroz

transg

é

_é

nico

_nico

(20)

(21)

Arroz

(

Oryza

sativa

L.)

 Alimento mundialmente

mais consumido (2/3 da população)

 Cresce em muitos tipos

de habitat

 Portugueses: Maiores

consumidores europeus de arroz

(22)

O arroz modificou a cultura, a dieta, e economia de milhões de pessoas: o arroz é

(23)

Afecta 30% da população mundial

Ferro

Deficiência em ferro

Maior carência nutricional mundialmente

Sintomas -Fadiga, fraqueza, falta de ar, palidez -Redução das capacidades cognitivas

(24)

O problema



 O grão de arroz O grão de arroz éé pobre em ferropobre em ferro

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 B ro w n 1 0 '' 3 0 '' ₁' 2 '' Milling time F e ( p p m ) IR68144 Mamina IR64

(25)

O objectivo



 Aumentar a Aumentar a

nutri

(26)

Os minerais devem ser

adquiridos

do solo,

transportados

e acumulados

(27)

Distribui

ç

ão

do

ferro

nas

partes

a

é

reas

Grãos Pericarpo Folha estandarte Caules foliares Bainhas Folhas

Caules das paniculas

cv. Rosemont

19%

8% 7%

(28)

O

O ferroferro éé mobilizado

mobilizado parapara as as sementes

sementes com com osos a

aççucaresucares, amino , amino á

ácidoscidos e e outrosoutros minerais

minerais.. Fluxo

Fluxo de de nutrientesnutrientes

Folha

Folha estandarteestandarte Grão

Grão de de arrozarroz Transporte

(29)

Estrat

é

gia

?

1.

1. IdentificarIdentificar umauma variedadevariedade

2.

2. IntroduzirIntroduzir o gene o gene dada ferritinaferritina com com

promotor

promotor de de endospermaendosperma

3.

3. ObterObter linhaslinhas homozigotashomozigotas

4.

4. AnalisarAnalisar teorteor emem micronutrientesmicronutrientes

Ferritina

Ferritina :: Acumula até 4500

(30)

Transformação

T nos Ferritin GluB1 Pro 35S Pro bar T g7 0.8kb PGPTV-GluB-1-bar Sst I

BamH I Hind III

Bombardeamento

(31)

Passos

Passos geraisgerais nana transformatransformaççãoão gengenééticatica do do arroz

(32)

Resultados

Non-transformed Transformed

Non-transformed

Transformed

Côr

Côr azulazul localizalocaliza o o ferro

(33)



 Arroz transgArroz transgéénico 3X mais rico em ferro nico 3X mais rico em ferro

e zinco, mesmo depois de polimento

comercial dos grãos



 O ferro neste arroz O ferro neste arroz éé biodisponbiodisponíívelvel



 Este material pode colmatar Este material pode colmatar

deficiências nutricionais graves,

especialmente em pa

especialmente em paííses em ses em desenvolvimento

desenvolvimento-- e.g. Moe.g. Moççambiqueambique

(34)

Arroz dourado

(35)

“

“Todos nTodos nóós precisamos de s precisamos de vitamina A, mas as crian

vitamina A, mas as criançças as são as mais suscept

são as mais susceptííveis veis àà sua sua deficiência. O RDA para

deficiência. O RDA para

crian

criançças dos 1as dos 1--3 anos 3 anos éé de de 300

300 µµgg por dia. Fornecer por dia. Fornecer metade desta quantidade

metade desta quantidade

manteria um n

manteria um níível saudvel saudáável vel desta vitamina no sangue.

desta vitamina no sangue.””

(36)

Fertilidade Crescimento ósseo Hematopoiese Visão Resposta imune Embriogénese … Deficiência em Vitamina A

(37)

Arroz dourado

Arroz: não produz

Arroz: não produz ββ--carotenocaroteno ((provitaminaprovitamina A) A) naturalmente, apenas nos tecidos verdes.

naturalmente, apenas nos tecidos verdes.

Apesar dos genes estarem presentes na

semente, alguns estão

semente, alguns estão ““desligadosdesligados”” durante o durante o desenvolvimento

desenvolvimento

Em sociedades que consomem muito arroz,

a falta de

a falta de VitVit A reflecteA reflecte--se em cegueira, se em cegueira, susceptibilidade para doen

susceptibilidade para doençças e morte infantil as e morte infantil prematura

(38)

(39)

Arroz dourado 1

(40)

Arroz dourado 2

(41)

(42)

(43)

Implicações

O RDA de vitamina A para uma criança de 1-3 anos é 300 µg

½ do RDA seria fornecido por 72 g da nova geração de arroz dourado

O arroz dourado será fornecido aqueles que dele precisam sem custos associados

(44)

Aumento

nutricional

em

soja

_soja

transg

_transg

é

_é

nica

_nica

com gene

AtFRO2

(45)

Leguminosas



Ricas em ferro,

vitaminas e

prote

(46)

Nutrição da soja



 14% 14% ÁÁguagua



 15% HC 15% HC solsolúúveisveis



 15% 15% FibraFibra



 38% 38% ProteProteíínana



 18% 18% LLíípidospidos ((NosNos EUA, 80% do

EUA, 80% do

consumo

consumo))

A

A sojasoja éé boa boa fontefonte de Fe, Ca, Zn, P, Mg, B, de Fe, Ca, Zn, P, Mg, B, vitaminasvitaminas e

(47)

Soja

(

Glycine

max

.)



 China: China: 2838 A.C. 2838 A.C.



 ArrozArroz, , trigotrigo, , cevadacevada e e centeiocenteio



 FranFrançça:1740 D.C.a:1740 D.C.



 Inglaterra:1790 D.C.Inglaterra:1790 D.C.



 Estados Unidos: sEstados Unidos: sééc. XIXc. XIX



 FonteFonte essencialessencial de de proteproteíínana e e ó

óleosleos, , tantotanto nana produproduççãoão animal animal (

(pretopreto e e castanhocastanho) ) comocomo nana alimenta

alimentaççãoão humanahumana ((amareloamarelo e e verde

(48)

Utilizações da soja

Utiliza

Utilizaççõesões alimentaresalimentares

  GrãoGrão   TofuTofu   MisoMiso   FarinhaFarinha   PãoPão   DocesDoces   RaRaççãoão   BolachasBolachas   TartesTartes   CafCaféé   ManteigaManteiga   LeiteLeite   RebentosRebentos   ÓÓleoleo   ((……)) Utiliza

Utilizaçções alternativasões alternativas

• • LLáápispis • • PlasticosPlasticos • • TintasTintas • • TêxteisTêxteis • • BiodiselBiodisel • • InsecticidasInsecticidas • • PapelPapel • • BorrachasBorrachas •

• CosmCosmééticosticos

•

• AgentesAgentes antianti--corrosovoscorrosovos

•

• EspumasEspumas anti anti fogofogo

•

• IsolamentoIsolamento elelééctricoctrico

•

• AgenteAgente controladorcontrolador de de poeiraspoeiras

•

• Sabonetes/ShampôsSabonetes/Shampôs

•

(49)

Os problemas

1.

Cresce mal em solos deficientes em

ferro (30% do solo mundial)

2.

Baixa absor

ç

ão do ferro limita a

quantidade que vai para os grãos

(50)

Aquisição ferro raizes (Dicot)

Apoplasto

_Simplasto

Fe(III)-chelate chelate e -ATP H+ Fe2+ Transporter (IRT) Reductase (FRO) Zn2+ Transporter (ZIP)

(51)

A deficiência em ferro regula a

actividade da reductase

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 9 10 11 12 13 14 15 16

Plant Age (days)

 m ol F e r ed u ce d / g F W / h r Sparkle - Fe Sparkle + Fe

(52)

Objectivo



 Aumentar a absorAumentar a absorçção e acumulaão e acumulaçção de ão de

ferro na soja

(53)

Estratégia



 Utilizar gene Utilizar gene AtFRO2AtFRO2 com um promotor com um promotor

constitutivo constitutivo Inside ATP ADP NADH NAD+ PM Outside H+ FRO2 Fe (II) Fe (III)

(54)

38 linhas transgénicas de soja com o gene AtFRO2 (2 AtFRO2 (2 gengenóótipostipos parentais

parentais))

Materiais

(55)



screening PCR screening PCR parapara identificaidentificaççãoão de de linhaslinhas transg

transgéénicasnicas homozigotashomozigotas

M N P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0.9 kb fragment



QQ--RTRT--PCR PCR parapara quantificaquantificaççãoão de de expressão

(56)

Resultados

:

_:

AtFRO2 RNA expression in different plant tissues

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

Pod wall Petal Seed Whole root

Root tips Roots no tips Milli-Q water Negative control Tissue R e la ti v e R N A e x p re s s io n

(57)

M

é

_é

todos

_todos

Ensaio

Ensaio solsolúúvelvel parapara quantificaquantificaççãoão de de actividadeactividade redutora

redutora com setup com setup especespecííficofico

Actividade

redutora

redutora::

Av. Abs

Av. Abs₅₃₅₅₃₅ x Vol. Sol/1000x Vol. Sol/1000

0.02214 x Root FW x Assay min/60

0.02214 x Root FW x Assay min/60 ==

µ

(58)

E

E nasnas plantasplantas transg

transgéénicasnicas com com AtFRO2? AtFRO2? Soybean-Thorne 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 Fe (uM) A c ti v it y Actividade Actividade baixa baixa 

(59)

Actividade

redutora

de

linhas

individuais

0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 Line R e d u c ta s e a c ti v it y ( u m o l F e /g F W h ) C o n tr o l A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 B 1 B 3 B 4 D 1 D 2 D 3 M 1 M 2 M 3 M 4 N 1 Line

Linha

392 ₃₉₂

-

_-

3 ₃

apresentou

_apresentou

actividade

_actividade

23 X

(60)

Resultados

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0 20 40 60 80 100 120 Fe-EDDHA (µM) concentration A c ti v it y ( µ m o l F e / g F W h ) Transgenic Control

(61)

Controlo Transgénica

(62)



 CrescerCrescer plantasplantas 14 d 14 d hidroponicamentehidroponicamente a 0, 10, 32 e 100 a 0, 10, 32 e 100 µ

µM FeM Fe--EDDHAEDDHA 

 RecolherRecolher folhasfolhas, raizes, , raizes, sementessementes, , cascascascas, caules e , caules e quantificar

quantificar mineraisminerais porpor ICPICP--OESOES

Digestão em

triplicado com ácido nítrico e perclórico Solubilizar em 0.2 M ácido nítrico Analisar

An

á

lise

de Fe

(63)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 C o n c e n tr a C o n c e n tr aç çã o ã oF e ( F e (pp m p p m) ) 0 0 µµMM 10 10 µµMM 32 32 µµMM 100 100 µµMM 0 0 µµMM 10 10 µµMM 32 32 µµMM 100 100 µµMM Control Transgenic Control Transgenic Ra Raíízeszes

Aumento do teor em Fe

Controlo Controlo Transgénica Transgénica Parte

(64)

Nutrientes nos tecidos

56 ± 3 149 ± 9** 100 ± 4 346 ± 11** 136 ± 3 283 ± 6** Zn 4558 ± 195 6106 ± 393* 12284 ± 738 17490 ± 880* 4658 ± 34 6912 ± 105* P 33692± 2556 46004 ±2467* 46430± 7979 51266± 2875* 27244 ± 389 30575±1306* K 122 ± 10 258 ± 13** 122 ± 10 258 ± 13** 65 ± 2 188 ± 8** Mn 41 ±3 94± 6** 201 ± 11 582 ± 25** 196 ± 8 766 ± 31** Fe Wt 392-3 Wt 392-3 Wt 392-3 Caules Raízes Folhas Mineral (µg.g-1₎

(65)

Nutrientes no xilema

88.54 ± 8 178.05 ± 34* Zn 596 ± 75 1303 ± 165* P 7395 ± 463 9606 ± 560* K 0.9 ± 0.3 2.9 ± 0.5** Mn 86 ± 20 98±5 Fe Wild-type 392-3 Mineral (µM)

(66)

112 ± 3** 96 ± 2 120 ± 4*** 49 ± 1 1142 ± 69*** 435 ± 18 100 110 ± 3** 103 ± 1 63 ± 1*** 39 ± 1 294 ± 14*** 153 ± 3 32 112 ± 4** 92 ± 1 52 ± 2*** 38 ± 1 147 ± 19 126 ± 2 10 III 111 ± 5** 89 ± 1 135 ± 5*** 54 ± 4 1073 ± 24*** 193 ± 6 100 104 ± 3** 94 ± 3 53 ± 2 65 ± 6 308 ± 39* 234 ± 15 32 118 ± 4** 93 ± 2 58 ± 4 58 ± 2 308 ± 16 291 ± 8 10 II 116 ± 1** 105 ± 7 125 ± 3*** 58 ± 4 734 ± 106* 430 ± 34 100 104 ± 2** 93 ± 1 61 ± 2 74 ± 6 287 ± 35 260 ± 14 32 94 ± 2 90 ± 2 69 ± 2 59 ± 7 379 ± 32** 241 ± 13 10 I 392-3 Wt 392-3 Wt 392-3 Wt Sementes Pericarpo Folhas Fe (µM)

Fe nas sementes

(67)

Conclusões



 A A biofortificabiofortificaççãoão éé uma estratuma estratéégia vigia viáável para vel para

aumentar o teor nutricional de alimentos

vegetais



 Confirmar Confirmar biodisponibilidadebiodisponibilidade



 Escolha do alimento Escolha do alimento



 Cuidados com Cuidados com sobresobre--acumulaacumulaççãoão



 A descodificaA descodificaçção dos ão dos genomasgenomas abre os abre os

horizontes para outras aplica

(68)

Agradecimentos

Dr. Michael Grusak

Dr.

Dr. SwapanSwapan DattaDatta, IRRI, IRRI--PhilippinesPhilippines Dr. Thomas Clemente, Nebraska

Dr. Thomas Clemente, Nebraska

Bill and Melinda Gates Foundation

CNRC lab

ESB

ESB--UCPUCP FCT

(69)

Obrigada pela vossa atenção!

Obrigada

Obrigada pelapela vossavossa

aten