Genetic engineering of crops for insect resistance: An overview

Phytophagous insect incidence is a serious threat for reduction of crop productivity globally. There is anestimation of one fourth of crop is being destroyed by insects annually. Indeed, the development of insectresistant crops is a great milestone in agriculture to increase crop yield and reduce pesticide dependency.Genetic engineering facilitates development of insect resistant crops by expressing bacterial d-endotoxins andvegetative insecticidal proteins and other plant genes like lectins, protease inhibitors, etc. In addition, RNAinterference and genome editing through CRISPR Cas9 also provides new solutions for the development ofinsect-resistant crops. The resultant genetically modified crops showed resistance against lepidopteran, dipteran, homopteran and coleopteran insects. The insect-resistant crops have made a significant economic impactworldwide in terms of higher yield and low pesticide usage. In this review, we focus on different strategies fordeveloping transgenics against insect pest control by expressing different insecticidal proteins in crops

Exploración preliminar del potencial de adopción de un paquete biotecnológico para el control de T. solanivora por parte de productores de papa de la región Cundiboyacense de Colombia / Preliminary exploration of the potential for adoption of a biotechnology package for the control of T. solanivora by potato producers in the Cundiboyacense region of Colombia

RESUMEN La papa es afectada por el ataque de Tecia solanivora que causa pérdidas hasta del 80%. Variedades genéticamente modificadas y biocontroladores, pueden ser usados para su manejo. Este estudio pretendió determinó el potencial socioeconómico de pequeños productores de papa de la región Cundiboyacense para la adopción de estas estrategias biotecnológicas, mediante encuestas cara a cara y el uso de metodologías como presupuestos parciales y modelo de regresión logística. Los resultados revelan que el tipo de semilla define la adopción, existiendo un interés por tecnologías que permitan el control de la plaga, por lo cual estarían dispuestos a pagar hasta un 30% más del valor actual por esta. La metodología de presupuestos parciales evidenció un efecto económico positivo en los diferentes escenarios planteados. Se concluyó que los pequeños productores de papa de los municipios analizados cuentan con un alto potencial socioeconómico para la adopción del paquete biotecnológico.

ABSTRACT The potato is affected by the attack of Tecia solanivora that causes losses of up to 80%. Genetically modified varieties and biocontrol agents, can be used for its control. This study aimed to determine the socioeconomic potential of small potato producers in the Cundiboyacense region for the adoption of these biotechnological strategies, through face-to-face surveys and the use of methodologies such as partial budgets and logistic regression model. The results reveal that the type of seed defines adoption, there being an interest in technologies that allow pest control, so they would be willing to pay up to 30% more of the current value for this. The methodology of partial budgets showed a positive economic effect in the different scenarios proposed. It was concluded that small potato producers in the municipalities analyzed have a high socioeconomic potential for the adoption of the biotechnology package.

Estudio de libertad de operación para una línea genéticamente modificada de papa (Solanum tuberosum L. ) / Study of freedom to operate for a genetically modified potato (Solanum tuberosum L. ) line

Durante el desarrollo de los productos biotecnológicos son utilizados materiales y procesos, que pueden estar protegidos por derechos de propiedad intelectual. Para evitar problemas legales en su comercialización, se deben realizar estudios de libertad de operación. Este estudio se realizó sobre una línea genéticamente modificada (GM) de papa (Solanum tuberosum L.) derivada de la variedad Pastusa Suprema, que expresa el gene Cry1Ac de Bacillus thuringiensis, desarrollada por la Corporación de Ciencias Biológicas y la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. El punto de partida, fue la deconstrucción del producto, cuyo resultado fue la lista de materiales y procesos usados en el desarrollo del producto. Se buscaron en bases de datos nacionales e internacionales de acceso público, las solicitudes de patentes y patentes relacionadas. En el nivel internacional, se encontraron cuatro solicitudes de patentes y dieciocho patentes relacionadas, la mayoría de las cuales, no han sido solicitadas en Colombia. En el nivel nacional, se encontraron 13 solicitudes de patentes, que han caducado, han sido negadas, abandonadas, desistidas, o están en requerimiento. Se encontró que la variedad tiene registro comercial, pero no título de obtentor. También se examinaron documentos de las instituciones participantes, que contuvieran cláusulas sobre propiedad intelectual, y otros documentos de interés, como los acuerdos de transferencia de materiales (ATM). Se concluye que la libertad de operación puede estar afectada más por problemas detectados en los ATM y en la complejidad de los acuerdos interinstitucionales suscritos, que por los derechos de propiedad intelectual.

During the development of biotechnological products, some materials and processes are used, which can be protected by intellectual property rights (IPR's). In order to avoid legal problems related to their marketing, freedom-to-operate studies need to be done. This study was made on a genetically modified (GM) potato (Solanum tuberous L.) derived from variety "Pastusa Suprema", which expresses the gene cry1Ac from Bacillus thuringiensis, developed by Corporation for Biological Research (Corporación para Investigaciones Biológicas - CIB) and National University of Colombia at Medellín (Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín). The starting point was the deconstruction of the product, whose result was the list of materials and processes used in the development of the new product. Patents and related applications were searched in national and international databases. At the international level, four applications and eighteen patents were found, most of which have not been applied for in Colombia. At the national levee, thirteen applications were found, which have expired, have been denied, abandoned, desisted or are currently on request. The plant variety has commercial registration but not breeder's certificate. Documents of the partaker institutions with IP clauses and other documents of interest, such as Material Transfer Agreements (ATM), were examined. It can be concluded that the freedom to operate might be affected for issues related to the ATMs and to the complexity of inter-institutional agreements, rather than for intellectual property rights.

Métodos y usos agrícolas de la ingeniería genética aplicada al cultivo del arroz / Methods and agricultural uses of genetic engineering applied to rice crop

En biotecnología de arroz se han logrado avances en transformación genética, con importantes resultados en el mejoramiento genético de variedades elite de las subespecies japónica e índica. Con el propósito de revisar los métodos y los usos agrícolas de la ingeniería genética aplicada al cultivo del arroz, se usaron varias palabras claves en idioma inglés en algunas de las bases de datos de revistas científicas indexadas, disponibles en el Sistema Nacional de Bibliotecas de la Universidad Nacional de Colombia (SINAB), seleccionando documentos publicados entre 2000 y 2011. La base de esta revisión inicial, se complementó con artículos publicados en fechas anteriores, que se consideraron relevantes, debido a que implicaban cambios metodológicos importantes. Desde que se logró producir la primera planta transgénica de arroz a finales de los 80´s, varios protocolos para la transferencia de genes se han empleado con éxito logrando la modificación genética de más de 60 cultivares de arroz. Para ello se han empleado sistemas de transformación tanto directos como indirectos. Se han realizado modificaciones de rasgos importantes en el cultivo, tales como la resistencia a factores bióticos (insectos, hongos, bacterias, virus, nematodos), tolerancia a factores abióticos (salinidad, sequía, altas y bajas temperaturas, inmersión), y mejoramiento de características agronómicas (calidad nutricional, rendimiento, uso de nutrientes, tolerancia a herbicidas).

In rice biotechnology advances have been made in genetic transformation, with significant results in breeding elite varieties of japonica and indica subspecies. In order to review the methods and agricultural uses of genetic engineering applied to rice, calves were used several words in English in some of the databases of scientific journals available in the National Libraries National University of Colombia (SINAB), selecting papers published between 2000 and 2011. Based on this initial review, it addition to some articles published at earlier dates, which were considered relevant because they involved significant methodological changes. Since it was able to produce the first transgenic rice plant in the late 80's, several protocols for gene transfer have been used successfully achieving the genetic modification of more than 60 rice cultivars. For this transformation systems have been used both direct and indirect. There have been significant changes in the crop traits such as resistance to biotic (insects, fungi, bacteria, viruses, nematodes), tolerance to abiotic (salinity, drought, high and low temperatures, immersion), improved features agronomic (nutritional quality, yield, nutrient use, herbicide tolerance).

Efecto ambiental de agroquímicos y maquinaria agrícola en cultivos transgénicos y convencionales de algodón / Environmental effects of agrochemicals and agricultural machinery in transgenic and conventional crops cotton

La producción de alimentos se basa en el uso de diferentes tecnologías agrícolas, que pueden derivar en conflictos entre medioambiente y agricultura. Es significativo estudiar el impacto ambiental de las nuevas tecnologías aplicadas a la agricultura, la más importante de las cuales es la transgénesis. Este trabajo se realizó en la zona algodonera del municipio del Espinal, departamento del Tolima, para la cosecha de algodón del primer semestre de 2009, usando las metodologías de Brookes y Barfoot (2006) y Kovach y colaboradores (1992). Se estudió el efecto ambiental de la aplicación de agroquímicos y el uso de maquinaria agrícola en cultivos de algodón transgénico y convencional. Se recogió información mediante encuestas en veinte fincas productoras de algodón. El análisis de las encuestas se realizó de forma descriptiva, determinando diferencias de tipo cuantitativo y cualitativo para los predios que utilizan la tecnología convencional o la tecnología transgénicas (doble gen, Bt/RR), para luego realizar una correlación con el “Enviromental Index Quotient” (EIQ). No se encontraron diferencias entre el EIQ de campo de las dos tecnologías, aunque la tecnología transgénica tiene ventajas ambientales en el control de algunas plagas de lepidópteros. En relación con el uso de maquinaria agrícola, se encontró que la tecnología convencional genera menor liberación de CO2, gas de efecto invernadero. La metodología de Brookes y Barfoot puede adaptarse para estudios comparativos de tecnologías agrícolas en países tropicales.

Food production is based on the use of various agricultural technologies, which can lead to conflicts between environment and agriculture. It is important to study the environmental impact of new technologies applied to agriculture, the most important of which is transgenesis. This work was carried out in the cotton belt of the town of Espinal, Tolima Department for the cotton crop in the first half of 2009, through methodologies Brookes & Barfoot (2006) and Kovach et al (1992). We studied the environmental impact of pesticide application and use of agricultural machinery for cultivation of transgenic and conventional cotton. Information was collected through surveys of 20 farms producing cotton. The analysis of the survey was conducted descriptively, by determining differences in quantitative and qualitative for the sites that use conventional technology, and transgenic (Bt gene and double RR / RR), and then make a correlation with the Environmental Index Quotient (EIQ). No differences were found between the fields EIQ the two technologies, although transgenic technology has environmental advantages in the control of some lepidopteran pests. In connection with the use of agricultural machinery, was found to conventional technology generates less release of CO2, greenhouse gas. The Brookes and Barfoot methodology could be adapted in comparative studies of agricultural technologies in tropical countries.

La selección nauural y los cultivos transgénicos: ¿un hiato darwinisaa? / Natural Selection and Transgenic Crops: A Darwinian Hiatus?

En diciembre de 2008, se reportaron 125 millones de hectáreas de variedades transgénicas de soya, maíz, algodón y canola, sembradas en 23 países de los cinco continentes. Estas variedades fueron transformadas con genes de origen procariote, que les confieren la capacidad de resistir el ataque de insectos lepidópteros o tolerar dosis comerciales de herbicidas. Desde el inicio de la ingeniería genética, se ha planteado la pregunta de si estos organismos, liberados de manera masiva en los agroecosistemas, pueden causar efectos ambientales negativos en el mediano plazo, o efectos evolutivos desastrosos en el largo plazo. Una manera de analizar este problema, es considerar si pueden escapar a la selección natural darwinista, por el hecho de haberse introducido genes foráneos mediante manipulación humana. Para ello, se estudia la literatura disponible sobre el flujo de genes, desde los cultivos modificados hacía sus parientes silvestres estrechamente relacionados. Existe evidencia empírica de la hibridación entre materiales mejorados por métodos convencionales (hibridación, retrocruces, selección) o biotecnológicos (transferencia de genes foráneos) y parientes silvestres estrechamente relacionados. En todo caso, los efectos de estas hibridaciones dependen de la interacción entre el gen transferido y la planta silvestre pariente de la planta hospedera, en el ecosistema particular en que ocurra. El mayor efecto ambiental y evolutivo, es el resultado de la introgresión del transgen en el pariente silvestre, proceso que implica la estabilización del transgen en el genoma hospedero, resultado de sucesivas generaciones de hibridación y retrocruce. La introgresión depende más de la naturaleza del gen, y del lugar que ocupa en el genoma donante, que del mecanismo de introducción en dicho parental. No se han reportado efectos negativos sobre la diversidad genética de las especies transformadas, ni sobre el ambiente o los consumidores. En el contexto de la evidencia analizada, parecería que los cultivos transgénicos no escapan a la selección natural darwinista, sin embargo es muy temprano en términos evolutivos para llegar a una conclusión sobre este asunto.

In December 2008, 125 million hectares of transgenic varieties of soybean, corn, cotton and canola, were reported planted in 23 countries on five continents. These varieties were transformed with genes of prokaryote origin, rendering them resistant to lepidopteran insects attack or toleratant to commercial herbicides. Since the beginning of genetic engineering, the question whether mass release of these crops in agroecosystems, can cause either negative environmental effects in the medium term or evolutionary effects in the long term, has been raised. One way of analyzing this problem is to consider whether they can escape Darwinian natural selection, because foreign genes have been introduced through human manipulation. To this end, I study the available literature on gene flow from modified crops to their wild closely related relatives. There is empirical evidence of hybridization between improved materials, by both conventional methods (hybridization, backcross, selections) and biotechnological (transfer of foreign genes), and closely related wild relatives. In any case, the effects of these hybrids depend on the interaction between the transferred gene and the wild relative, the particular ecosystem in which it occurs. The biggest environmental and evolutionary impact is the result of introgression of a transgene in the wild relative, a process that involves stabilization of the transgene in the host genome, as a result of successive generations of hybridization and backcrossing. The introgression depends more upon the nature of the gene and its localization in the donnor s genome, than on the mechanism of introduction. No negative effects on the genetic diversity of species genetically modified, have been reported, neither on the environment or consummers. In the context of the evidence discussed, it appears s if genetic modified crops do not escape Darwinian natural selection, however it is very early in evolutionary terms to reach a conclusion on this matter.