Universidad de Valencia – Facultad de Ciencias Biológicas
Departamento de Genética
Unidad
de Investigación de Genética Bioquímica y Biotecnología
Áreas de investigación
última actualización: 6-10-2010
El grupo de Genética Bioquímica y Biotecnología trabaja en el control microbiológico de plagas de insectos mediante el uso de Bacillus thuringiensis y baculovirus. A continuación se exponen unas nociones generales sobre nuestro campo de trabajo, así como las líneas concretas de investigación en las que trabajamos.
1) Bacillus
thuringiensis Y BACULOVIRUS PARA EL CONTROL MICROBIOLÓGICO DE PLAGAS DE
INSECTOS
Uno de los agentes más utilizados en el control microbiológico de plagas es la bacteria Bacillus thuringiensis. Durante la esporulación sintetiza unas proteínas especiales que se agrupan formando un cristal paraesporal que puede llegar a alcanzar, en algunas cepas, el mismo tamaño que la espora. Cuando los insectos ingieren la bacteria esporulada, además de la espora también ingieren el cristal. Éste se disuelve en el intestino liberando sus componentes proteicos (protoxinas) que, normalmente, han de ser activados por proteasas intestinales a su forma final tóxica. La toxina entonces se une a receptores de la membrana epitelial del intestino produciendo poros en las células y finalmente la muerte del insecto. Este envenenamiento facilita a la espora a que germine e invada su huésped.
Los otros agentes, baculovirus, son virus que infectan invertebrados, principalmente insectos del orden Lepidoptera. También conocidos como nucleopolihedrovirus, son patógenos obligados que se caracterizan por sus nucleocápsidas en forma de varilla, cada una de ellas conteniendo una molécula única circular de DNA de doble cadena. La nucleocápsida está envuelta en una membrana de lipoproteínas para formar viriones, los cuales son ocluidos por una matriz proteica para formar el cuerpo de oclusión (OB). Cada OB puede contener docenas de viriones. La mayor parte de los baculovirus identificados hasta la fecha han sido aislados de unos pocos centenares de especies de insectos, principalmente Lepidoptera y Hymenoptera fitófagos, muchos de los cuales son plagas importantes de cultivos agrícolas y de bosques. La infección por baculovirus comienza cuando el insecto ingiere el OB. Éste se disuelve en el intestino con la consiguiente liberación de los viriones (también conocidos como virus derivados ocluídos, ODV). Los ODV liberados se fusionan con la membrana de las células epiteliales columnares del intestino del huésped y entran en la célula. Una vez dentro, las nucleocápsidas son transportadas al núcleo donde tiene lugar la transcripción y replicación del genoma vírico. Se produce una nueva forma del virus (virus de gemación, BV) en estas células infectadas. Estas formas se liberarán de las células por gemación expandiendo la infección sistémicamente. En el último estadío de la infección el insecto se desintegra y libera millones de BV y OB al ambiente, con lo que comienza un nuevo ciclo.
El atractivo de utilizar estos patógenos en la lucha contra los insectos es, por un lado, su especificidad, con lo que se puede atacar al insecto plaga sin afectar las poblaciones de insectos útiles y, por otro lado, son totalmente inocuas para organismos distintos a los insectos, incluido el hombre. Estas características hacen de los insecticidas basados en B. thuringiensis y baculovirus un recurso muy apreciado desde el punto de vista de la agricultura ecológica. De hecho, son de los pocos insecticidas permitidos en este tipo de agricultura. Otro atractivo que presenta B. thuringiensis es que, debido a que la toxina es una proteína, se pueden manipular los genes en el laboratorio de manera que la proteína mutante posea una eficacia mayor o incluso desarrolle toxicidad para controlar nuevas plagas. Sin embargo, por lo que se conoce más a esta bacteria es por la utilidad que tiene en la ingeniería genética en cuanto a que sus genes se pueden integrar en el genoma de plantas, con lo que éstas producen la proteína insecticida y se convierten en resistentes frente a los insectos que las atacan.
La búsqueda de nuevos genes de B. thuringiensis que codifican nuevas proteínas insecticidas permitirá ampliar el espectro de acción de los insecticidas basados en B. thuringiensis. Esto es de gran interés no sólo para combatir plagas que hasta el momento no son controlables mediante este tipo de insecticidas, sino para poseer toxinas que mantendrán su efectividad para controlar poblaciones de insectos cuando éstas empiecen a desarrollar resistencia a toxinas de esta bacteria actualmente en uso.
El problema de la resistencia en insectos es un problema muy grave, que puede dejar obsoleto un insecticida en pocos años. Este problema no afecta sólo a los insecticidas químicos, sino que también afecta a los insecticidas microbianos. El conocimiento de los mecanismos por los cuales las toxinas de B. thuringiensis o los baculovirus actúan y por los que un insecto puede convertirse en resistente a ellas puede ayudar a diseñar estrategias para prevenir la aparición de resistencia al máximo. Los resultados de estas investigaciones son de gran importancia para diseñar estrategias de utilización de insecticidas basados en B. thuringiensis para que las probabilidades de aparición de resistencia se minimicen y, de esta manera, se pueda prolongar la utilización de este insecticida de tan preciadas características. Pero dicho conocimiento es especialmente relevante en el contexto del diseño de plantas transgénicas resistentes a insectos, ya que la correcta elección de los genes (que codifican toxinas) a introducir en una misma planta dependerá de su mecanismo de acción. Una planta que exprese dos toxinas que utilicen el mismo sitio diana para su acción provocará la aparición de resistencia en los insectos plaga mucho más rápidamente que una que exprese dos toxinas con distintos sitios diana.
2) LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Y OBJETIVOS DEL GRUPO
El objetivo principal del grupo consiste en el control de insectos plaga mediante el uso de insecticidas microbianos basados en la bacteria Bacillus thuringiensis y baculovirus. El grupo trabaja en tres líneas de investigación, cuyos objetivos se resumen a continuación.
1.
Resistencia a bioinsecticidas
Objetivo general: Estudio del potencial de los insectos para desarrollar resistencia frente a las toxinas de B. thuringiensis, así como de las bases genéticas y bioquímicas de la misma. Es una línea de investigación básica, aunque con proyección aplicada. Fue con esta línea con la que los componentes más antiguos del grupo empezaron a trabajar con B. thuringiensis, a finales de 1989.
Uno de los objetivos perseguidos dentro de esta línea es el estudio del mecanismo de acción de las toxinas de B. thuringiensis para, de este modo, poder comprender los mecanismos de resistencia que pueden generar los insectos contra estas toxinas. El conocimiento de la actuación de estas toxinas en una plaga particular también nos permite hacer predicciones sobre la posible aparición de resistencia cruzada a otras toxinas de B. thuringiensis. Otro de los objetivos es la determinación concreta del mecanismo de resistencia presente en razas de insectos resistentes a formulados de B. thuringiensis.
La especie con la que más hemos trabajado, y con la que aún estamos trabajando, es la polilla de las crucíferas, Plutella xylostella, la cual es la única especie por el momento que ha desarrolado resistencia a B. thuringiensis en campo (aunque no a cultivos transgénicos). Sin embargo, nuestro interés abarca cualquier especie que haya desarrollado resistencia a las toxinas de B. thuringiensis. Hemos trabajado con razas resistentes de laboratorio de los lepidópteros Plodia intercpuntella, Trichoplusia ni, Ostrinia nubilalis (taladro del maíz) y Heliothis virescens, y hemos realizado estudios del mecanismo de acción en otros lepidópteros, como Helicoverpa armigera (heliothis), Phthorimaea operculella (polilla de la patata), Mamestra brassicae, Spodoptera exigua y Cacyreus marshalli (taladro del geranio). También hemos trabajado con el díptero Bactrocera oleae (mosca del olivo).
2.
Desarrollo de nuevos bioinsecticidas
Objetivo general: Encontrar cepas y genes de B. thuringiensis con nuevas capacidades insecticidas. Esta es una vertiente aplicada del grupo, puesto que la finalidad última es la de obtener resultados transferibles a la industria. Esta línea de investigación fue iniciada en 1994.
Uno de los objetivos es el desarrollo de bioinsecticidas basados en nuevas cepas de B. thuringiensis con alta efectividad frente a insectos plaga. Pretendemos utilizar cepas naturales con alta efectividad o mayor espectro de acción, así como cepas híbridas obtenidas mediante transferencia de plásmidos. Actualmente poseemos una colección de unos 650 aislados de B. thuringiensis. Otro objetivo es el aislamiento y caracterización de nuevos genes de esta bacteria que codifiquen proteínas con alta acción insecticida.
En colaboración con el Departamento de Producción Agraria de la Universidad Pública de Navarra, hemos descubierto y caracterizado 5 nuevos serovares de B. thuringiensis, cuyas cepas tipo las hemos depositado en el International Entomopathogenic Bacillus Center del Instituto Pasteur de París. Fruto también de dicha colaboración ha sido la solicitud de dos patentes con dos de los aislados por su alta toxicidad contra lepidópteros. Dos formulaciones insecticidas basadas en estos aislados están en trámite para obtrener el registro para su comercialización.
Dentro de esta línea de investigación colaboramos con numerosas empresas, de dentro y fuera de España. Entre los servicios que ofrecemos podemos resaltar el control de calidad de los productos basados en B. thuringiensis, así como la realización de estudios encaminados a la obtención del registro de dichos productos.
3. Interacción insecto-patógeno
Los insectos representan uno de los ejemplos con más éxito de
adaptación evolutiva, siendo capaces de colonizar casi todos
los nicho ecológicos. Consecuentemente, tuvieron que verse con una
variedad extremadamente grande de patógenos, incluidos los baculovirus
y B. thuringiensis. La evolución de
los insectos y la evolución de sus patógenos han seguido caminos paralelos. Los
cambios en el insecto que contribuyeron a reducir el efecto del patógeno han
sido respondidos por adaptaciones del patógeno intentando escapar de la defensa
del insecto. A fin de vencer, o al menos de minimizar, el efecto patológico,
los insectos han desarrollado diferentes mecanismos. Entre los conocidos,
algunos de ellos promueven la activación de mecanismos de desintoxicación y de
reparación de daño. Otros mecanismos incluyen la síntesis y secreción de
péptidos antimicrobianos y de enzimas de degradación, la fagocitosis, melanización, apoptosis celular,
o liberación de las células, entre otros (algunos de ellos probablemente
todavía desconocidos). La activación de estos mecanismos reduce las
posibilidades de que los patógenos extiendan su infección y pueden ser
responsables del desarrollo de resistencia por parte del insecto.
Mediante la combinación de SSH (Suppressive Subtractive Hybridization) con microarrays de DNA estamos intentando identificar los elementos del insecto implicados en la respuesta a estos patógenos y, como consecuencia, que determinan el mecanismo de respuesta del insecto a los patógenos. La información sobre el mecanismo de defensa del insecto puede ser de mucha utilidad para la identificación de posibles mecanismos de resistencia del insecto a baculovirus o a B. thuringiensis. Además, la información obtenida puede ser usada para optimizar el uso de estos patógenos como agentes de control de plagas. En colaboración con el grupo del Dr. Ruud de Maagd (Plant Research International, Holanda) estamos actualmente analizando la interacción entre S. exigua y B. thuringiensis (o sus toxinas). De similar modo, en colaboración con el Dr. Karl Gordon (CSIRO Entomology, Australia) estamos analizando la respuesta de H. armigera a su baculovirus (HaSNPV) y también a las toxinas de B. thuringiensis.
3) FUENTES DE FINANCIACIÓN Y PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN:
Los proyectos en los que trabajamos han sido financiados por la Unión Europea en todos los Programas Marco desde el 3º. También se ha recibido financiación continuada por parte del Ministerio de Educación y Ciencia (o del de Ciencia y Tecnología) y de la Generalitat Valenciana concursando con proyectos competitivos. Los proyectos más relevantes de los últimos 10 años se indican a continuación:
Título
del proyecto: Introducción de resistencia a Cacyreus marshalli en Pelargonium zonale mediante
transformación genética con Bacillus
thuringiensis
Entidad
financiadora: Ministerio de Educación y Ciencia
(Proyectos de I+D del programa FEDER) (FD1997-0917-C02-01).
Entidades
participantes: Universitat de València, Universidad Politécnica de
Valencia y Fundación PROMIVA (Manises, Valencia)
Título
del proyecto: Manejo de la resistencia a Bacillus thuringiensis en plagas del
algodón.
Entidad
financiadora: Ministerio de Educación y Cultura
(Plan Nacional de I+D, Programa Nacional de Recursos y Tecnología Agroalimentarias)
(AGL2000-0840-C03-01).
Entidades
participantes: Universitat de València, Universidad
de Córdoba y Universidad Pública de Navarra.
Título
del proyecto: Obtención de geranios transgénicos
resistentes a hongos e insectos
Entidad
financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología (Plan Nacional I+D+T, Programa
de Fomento de la Investigación Técnica, PROFIT) (FIT-010000-2001-87).
Entidades
participantes: Fundación PROMIVA (Majadahonda, Madrid), Instituto de Biología
Molecular (CSIC, Barcelona) y Universitat de
València.
Título
del proyecto: Obtención de Pelargonium
ornamentales transgénicos resistentes a infección por hongos patógenos o al
ataque por insectos
Entidad
financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología (Plan Nacional I+D+T, Programa
de Fomento de la Investigación Técnica, PROFIT) (FIT-010000-2002-13).
Entidades
participantes: Fundación PROMIVA (Majadahonda, Madrid), Instituto de Biología
Molecular (CSIC, Barcelona) y Universitat de
València.
Título del
proyecto: Protecting the benefits of Bt-toxins from insect resistance
development by monitoring and management.
Entidad financiadora:
Comisión Europea (Programa Quality of life and management of living
resources). (QLTR-2001-01969)
Entidades participantes:
Aachen University of Technology (Aachen,
Alemania), CIB-CSIC (Madrid), INRA La Minière (Guillantcourt, Francia), Università degli Studi (Milán,
Italia), Slovak Agricultural Unviersity (Nitra, Slovakia), Aristotle University of Thessaloniki (Salónica, Grecia), Fraunhofer Institute for
Molecular BIology and Applied Ecology (Schmallenberg, Alemania),
University of Melbourne (Parkville, Australia) y Universitat
de València.
Título del proyecto: Microbial alternatives to
agrochemicals in plant protection.
Entidad
financiadora: Oficina de Ciencia y Tecnología de la Generalitat Valenciana
(OCYTGV). (CTGA/2002/03/01)
Entidades
participantes: Universitat de València.
Título del proyecto: Análisis bioquímico y genético de
la resistencia de Plutella xylostella a las toxinas de Bacillus
thuringiensis.
Entidad
financiadora: Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Méjico (CONACYT)
(Ref. 38040-N).
Entidades
participantes: Universidad Autónoma de Nuevo León (Méjico) y Universitat de València.
Título del proyecto: Desarrollo de un producto
bioinsecticida partiendo de una novedosa cepa de Bacillus thuringiensis autóctona.
Entidad
financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología (Proyecto de Estímulo a la
Transferencia de Resultados de Investigación, PETRI) (PTR1995-0633-OP).
Entidades
participantes: Universitat de València
e Industrias AFRASA, S.A.
Título
del proyecto: Bases de la resistencia a las
toxinas de Bt en lepidópteros plaga.
Entidad
financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología
(Plan Nacional de I+D+I, Programa Nacional de Recursos y Tecnología
Agroalimentarias) (AGL2003-09282-C03-01).
Entidades
participantes: Universitat de València, Universidad
de Córdoba y Universidad Pública de Navarra.
Título del proyecto: Ayudas para grupos de investigación.
Entidad
financiadora: Conselleria de Cultura, Educació i Esport de la
Generalitat Valenciana (GRUPOS2004-21).
Entidades
participantes: Universitat de València.
Título del proyecto: Bases de la resistencia a
proteínas cristalinas insecticidas de Bacillus
thuringiensis en poblaciones de lepidópteros.
Entidad
financiadora: Conselleria de Cultura, Educació i Esport de la
Generalitat Valenciana (GV04B-165).
Entidades
participantes: Universitat de València.
Título
del proyecto: Prevención de la resistencia a
baculovirus en Spodoptera exigua.
Entidad
financiadora: Ministerio de Educación y Ciencia
(Plan Nacional de I+D+I, Programa Nacional de Recursos y Tecnología
Agroalimentarias) (AGL2005-0709-C03-03/AGR).
Entidades
participantes: Universitat de València
y Universidad Pública de Navarra (Pamplona)
Título del proyecto: Bases de la resistencia a toxinas
de Bacillus thuringiensis en
lepidópteros plaga.
Entidad
financiadora: Conselleria de Empresa, Universidad y
Ciencia de la Generalitat Valenciana, programa de Ayudas complementarias para proyectos de I+D+I (ACOMP06/133).
Entidades
participantes: Universitat de València, Universidad
de Córdoba y Universidad Pública de Navarra (Pamplona).
Título
del proyecto: Manejo de la resistencia a
proteínas insecticidas de Bacillus thuringiensis.
Entidad
financiadora: Ministerio de Educación y Ciencia
(Plan Nacional de I+D+I, Programa Nacional de Recursos y Tecnología
Agroalimentarias) (AGL2006-11914).
Entidades
participantes: Universitat de València.
Título del proyecto: Constitución de una red de grupos
y centros de investigación para atender la demanda científico-tecnológica de
las empresas de la Comunitat Valenciana (Red Valenciana de Investigación
Vinculada).
Entidad
financiadora: Conselleria de Empresa, Universidad y
Ciencia de la Generalitat Valenciana (ref. ARVIV/2007/090).
Entidades
participantes: Universitat de València
y otras universidades y centros de investigación de la Comunidad Valenciana.
Título
del proyecto: Host response to baculovirus
infection in Helicoverpa armigera.
Entidad
financiadora: Unión Europea (programa
Structuring the ERA).
Entidades
participantes: Universitat de València
Título
del proyecto: Establecimiento de lazos de colaboración en la investigación
sobre bioinsecticidas basados en Bacillus thuringiensis.
Entidad
financiadora: Programa de Cooperación
Interuniversitaria de la Agencia Española de Cooperación Internacional (AECI)
el marco del PCI-Mediterráneo 2007.
Entidades
participantes: Universitat de València
y Centre de Biotechnologie de Sfax
(Túnez)
Título del proyecto:. Specific binding of Bt toxins to
midgut membranes from sweetpotato
weevil, Cylas spp.
Entidad financiadora:
The Rockefeller Foundation (07-ENT-367314-VAL).
Entidades participantes: Universitat de València, Auburn University (USA) y Centro Internacional de la Papa (Perú).
Título del proyecto:
Mode of action of Bacillus thuringiensis VIP
proteins in Helicoverpa armigera and
Spodoptera exigua.
Entidad financiadora: Unión
Europea (programa Structuring the
ERA).
Entidades participantes: Universitat de València
Título
del proyecto: Genes de respuesta al baculovirus de Spodoptera exigua, aplicaciones para la
mejora de sus propiedades insecticidas.
Entidad
financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación (Plan Nacional de
Investigación Científica y Desarrollo e Innovación Tecnológica)
(AGL2008-05456-C03-03).
Entidades participantes: Universitat de València y Universidad Pública de Navarra.
Título
del proyecto: Desarrollo de un nuevo
bioinsecticida basado en Pseudomonas fluorescens.
Entidad financiadora: Conselleria de Empresa, Universidad y Ciencia de la
Generalitat Valenciana (ref. GVPRE/2008).
Entidades participantes: Universitat de València.
Título del proyecto: Toxinas secretables de Bacillus thuringiensis para el control de lepidópteros
Entidad financiadora: Programa de Cooperación Interuniversitaria de la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo (AECID) en el marco del PCI-Mediterráneo 2008 (A/017413/08).
Entidades participantes: Universitat de València y Centre de Biotechnologie de Sfax (Túnez).
Título del proyecto: Proteínas insecticidas de Bacillus thuringiensis de segunda generación.
Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación, Programa Hispano-Brasileño de Cooperación Interuniversitaria (PHB2008-0113-PC).
Entidades participantes: Universitat de València y Universidade Estadual Paulista (Brasil).
Título del proyecto: Resistance to African sweetpotato weevils using biotechnology.
Entidad financiadora:
The Rockefeller Foundation (08-EPP-368722-UV).
Entidades participantes: Universitat de València, Auburn University (USA) y Centro Internacional de la Papa (Perú).
Título del proyecto: Manejo de la resistencia a proteínas insecticidas de Bacillus thuringiensis.
Entidad financiadora:
Conselleria d’Educació de la Generalitat
Valenciana, programa de Ayudas complementarias de I+D+i a grupos de calidad contrastada
para completar el desarrollo de proyectos de I+D
vigentes (ref. ACOMP/2009/313).
Entidades participantes: Universitat
de València.
Título del proyecto: Modo de acción de
proteínas insecticidas secretables de Bacillus thuringiensis.
Entidad financiadora:
Ministerio de Ciencia e Innovación (Plan Nacional de I+D+I,
Programa Nacional de Investigación Fundamental) (AGL2009-13340-C02-01).
Entidades participantes: Universitat
de València y Universidad Pública de Navarra.
Título del proyecto:
Manejo de la resistencia a
proteínas insecticidas de Bacillus
thuringiensis
Entidad financiadora:
Conselleria d’Educació de la Generalitat
Valenciana, programa de Ayudas para grupos de calidad contrastada, del programa Gerónimo
Forteza.
(ref. FPA/2010/011).
Entidades participantes: Universitat
de València
Título del proyecto:
Sweet Potato Action for Security and Health in Africa (SASHA)
Entidad financiadora:
Bill and Melinda Gates Foundation (BMGF)
Entidades participantes: Universitat
de València, Centro Internacional de la Papa (CIP),
consorcio de países africanos