Riesgos y daños asociados al algodón GM

La interacción entre plantas, insectos y microbios (PIM, por sus siglas en inglés) es un factor determinante para el ensamblaje y funcionamiento de los ecosistemas naturales y antrópicos. En los agroecosistemas, las relaciones entre estos elementos dependen de los taxones involucrados, las condiciones ambientales y el manejo agrícola, incluyendo el uso de organismos genéticamente modificados (OGM). Aunque existe cada vez más evidencia sobre los efectos no intencionados de las plantas GM sobre insectos no objetivo, nuestro conocimiento sobre su impacto en los microbios intestinales y sus repercusiones en la ecología del hospedero —especialmente en ambientes silvestres— sigue siendo limitado. En este estudio, comparamos la comunidad microbiana intestinal del chinche Dysdercus concinnus recolectado sobre plantas de algodón silvestre (Gossypium hirsutum), con y sin transgenes insecticidas (cry1ab/ac), en su centro de origen y diversidad. Mediante la secuenciación de la región V4–V5 del ARNr 16S, demostramos que existen diferencias en la diversidad, estructura y topología de las interacciones microbianas intestinales entre especímenes que se alimentaron de plantas de algodón con y sin transgenes. Identificar los efectos residuales no intencionados de la ingeniería genética en ecosistemas naturales brinda conocimientos fundamentales para la toma de decisiones informadas sobre el manejo de los recursos genéticos, ecológicos y evolutivos. Por tanto, determinar qué organismos interactúan con las plantas GM y cómo lo hacen, es el primer paso para conservar los ecosistemas naturales con evidencia de introgresión transgénica.

The interaction among plants, insects, and microbes (PIM) is a determinant factor for the assembly and functioning of natural and anthropic ecosystems. In agroecosystems, the relationships among PIM are based on the interacting taxa, environmental conditions, and agricultural management, including genetically modified (GM) organisms. Although evidence for the unintended effects of GM plants on non-target insects is increasingly robust, our knowledge remains limited regarding their impact on gut microbes and their repercussions on the host’s ecology, especially in the wild. In this study, we compared the gut microbial community of Dysdercus concinnus bugs collected on wild cotton (Gossypium hirsutum), with and without insecticidal transgenes (cry1ab/ac), in its center of origin and diversity. By sequencing the V4–V5 region of 16S rRNA, we show differences in the diversity, structure, and topology of D. concinnus gut microbial interactions between specimens foraging cotton plants with and without transgenes. Identifying unintended residual effects of genetic engineering in natural ecosystems will provide first-line knowledge for informed decision-making to manage genetic, ecological, and evolutionary resources. Thus, determining which organisms interact with GM plants and how is the first step toward conserving natural ecosystems with evidence of transgenic introgression.

Después de 25 años de cultivo de algodón genéticamente modificado en México, el flujo génico entre individuos transgénicos y sus parientes silvestres representa una oportunidad para analizar los impactos de la presencia de genes novedosos en procesos ecológicos y evolutivos bajo condiciones naturales. Presentamos evidencia empírica integral sobre los efectos fisiológicos, metabólicos y ecológicos de la introgresión de transgenes en algodón silvestre (Gossypium hirsutum). Reportamos que la expresión de los genes cry y cp4-epsps en algodón silvestre, bajo condiciones naturales, altera la inducibilidad del néctar extrafloral y, con ello, su asociación con diferentes especies de hormigas: se observó dominancia de la especie defensiva Camponotus planatus en plantas Bt, presencia de cp4-epsps sin un papel defensivo con hormigas Monomorium ebeninum, y de la especie invasora Paratrechina longicornis en plantas silvestres sin transgenes. Además, encontramos un aumento en el daño por herbívoros en las plantas con el transgén cp4-epsps. Nuestros resultados revelan la influencia de la expresión de transgenes sobre las interacciones ecológicas nativas. Estos hallazgos pueden ser útiles para el diseño de metodologías de evaluación de riesgos de organismos genéticamente modificados y para la conservación in situ de metapoblaciones de G. hirsutum.

After 25 years of genetically modified cotton cultivation in Mexico, gene flow between transgenic individuals and their wild relatives represents an opportunity for analysing the impacts of the presence of novel genes in ecological and evolutionary processes in natural conditions. We show comprehensive empirical evidence on the physiological, metabolic, and ecological effects of transgene introgression in wild cotton, Gossypium hirsutum. We report that the expression of both the cry and cp4-epsps genes in wild cotton under natural conditions altered extrafloral nectar inducibility and thus, its association with different ant species: the dominance of the defensive species Camponotus planatus in Bt plants, the presence of cp4-epsps without defence role of Monomorium ebeninum ants, and of the invasive species Paratrechina longicornis in wild plants without transgenes. Moreover, we found an increase in herbivore damage to cp4-epsps plants. Our results reveal the influence of transgene expression on native ecological interactions. These findings can be useful in the design of risk assessment methodologies for genetically modified organisms and the in situ conservation of G. hirsutum metapopulations.

Una de las mejores estrategias de conservación ex situ del germoplasma silvestre es la conservación in vitro en bancos genéticos. El éxito de esta conservación depende en gran medida de la micropropagación o desempeño de la especie de interés. En el contexto del cambio global, los desafíos en la producción agrícola y el cambio climático, enfrentamos una realidad de estrategias de intensificación agrícola, incluyendo la ingeniería genética, que pueden afectar negativamente la conservación de la biodiversidad. Sin embargo, las posibles consecuencias de la presencia de transgenes en el desempeño in vitro de las poblaciones y sus implicaciones para la conservación de la biodiversidad han sido poco documentadas. En este estudio analizamos evidencia experimental sobre los posibles efectos de la presencia de transgenes en el desempeño in vitro de poblaciones de Gossypium hirsutum L., representativas de la diversidad genética mexicana de la especie, y reflexionamos sobre las implicaciones de dicha presencia para la conservación genética ex situ de la variación natural de la especie. Seguimos un enfoque experimental de desempeño in vitro, que incluyó individuos de diferentes poblaciones silvestres de algodón, así como individuos de poblaciones domesticadas, con el fin de diferenciar los efectos de los rasgos de domesticación incorporados al acervo génico silvestre vía flujo génico, de los efectos de la presencia de transgenes. Evaluamos el desempeño in vitro de cinco características relacionadas con el establecimiento de las plantas (N = 300): tasa de propagación, tasa de producción de hojas, tasa de incremento en altura, crecimiento microbiano y desarrollo radicular. Posteriormente realizamos pruebas estadísticas (PERMANOVA, pruebas post-hoc de Wilcoxon y análisis multivariados NMDS) para evaluar las diferencias en el desempeño in vitro de las poblaciones estudiadas. Aunque establecer una causalidad directa entre los transgenes y los fenotipos observados requiere un control estricto de los genotipos, los resultados generales sugieren consecuencias negativas para el cultivo in vitro de poblaciones silvestres de algodón en presencia de transgenes. Esto proporciona evidencia experimental y estadísticamente robusta para respaldar la implementación de un tamizaje de transgenes en plantas, con el fin de reducir tiempos y costos económicos en el establecimiento in vitro, contribuyendo así al objetivo general de conservación del germoplasma para la adaptación futura.

One of the best ex situ conservation strategies for wild germplasm is in vitro conservation of genetic banks. The success of in vitro conservation relies heavily on the micropropagation or performance of the species of interest. In the context of global change, crop production challenges and climate change, we face a reality of intensified crop production strategies, including genetic engineering, which can negatively impact biodiversity conservation. However, the possible consequences of transgene presence for the in vitro performance of populations and its implications for biodiversity conservation are poorly documented. In this study we analyzed experimental evidence of the potential effects of transgene presence on the in vitro performance of Gossypium hirsutum L. populations, representing the Mexican genetic diversity of the species, and reflect on the implications of such presence for ex situ genetic conservation of the natural variation of the species. We followed an experimental in vitro performance approach, in which we included individuals from different wild cotton populations as well as individuals from domesticated populations, in order to differentiate the effects of domestication traits dragged into the wild germplasm pool via gene flow from the effects of transgene presence. We evaluated the in vitro performance of five traits related to plant establishment (N = 300): propagation rate, leaf production rate, height increase rate, microbial growth and root development. Then we conducted statistical tests (PERMANOVA, Wilcoxon post-hoc tests, and NMDS multivariate analyses) to evaluate the differences in the in vitro performance of the studied populations. Although direct causality of the transgenes to observed phenotypes requires strict control of genotypes, the overall results suggest detrimental consequences for the in vitro culture performance of wild cotton populations in the presence of transgenes. This provides experimental, statistically sound evidence to support the implementation of transgene screening of plants to reduce time and economic costs in in vitro establishment, thus contributing to the overarching goal of germplasm conservation for future adaptation.

ANTECEDENTES Las plantas transgénicas resistentes a insectos que expresan proteínas insecticidas Cry provenientes de Bacillus thuringiensis (Bt) se cultivan en millones de hectáreas en todo el mundo. Aunque estas proteínas son eficaces para controlar plagas lepidópteras clave, no afectan a todas las plagas y el desarrollo de resistencia en las plagas objetivo siempre representa una preocupación. Estas limitaciones podrían abordarse aprovechando la resistencia natural del algodón a los insectos, especialmente mediante terpenoides inducibles como el gossypol. RESULTADOS. Para evaluar el potencial del gossypol como complemento de las proteínas Cry como rasgo de resistencia, realizamos una serie de ensayos de alimentación con Spodoptera littoralis utilizando una dieta artificial con cantidades definidas de proteínas Cry y gossypol. Esto se complementó con ensayos utilizando discos foliares de plantas de algodón Bt (que expresan Cry1Ac y Cry2Ab) y no Bt, tanto inducidas como no inducidas. Además, cuantificamos las proteínas Cry y los terpenoides del algodón para describir las interacciones en planta. Encontramos que el gossypol puede aumentar la eficacia de las proteínas Cry en dieta artificial de manera aditiva. Sin embargo, la producción inducida de gossypol y otros terpenoides del algodón no aumentó la eficacia del algodón Bt debido al fuerte efecto del rasgo transgénico. CONCLUSIÓN. Los terpenoides del algodón pueden ofrecer la oportunidad de complementar la resistencia a insectos del algodón Bt en casos donde la plaga no se ve fuertemente afectada por las proteínas Cry.

BACKGROUND Insect-resistant transgenic plants that express insecticidal Cry proteins from Bacillus thuringiensis (Bt) are grown on millions of hectares worldwide. While these proteins are efficient in controlling key lepidopteran pests, not all pests are affected and the development of resistance in target pests is always a concern. These shortcomings could be addressed by exploiting the natural insect resistance of cotton, especially inducible terpenoids such as gossypol. RESULTS To assess the potential of gossypol in supplementing Cry proteins as a resistance trait, we conducted a range of feeding assays with Spodoptera littoralis using artificial diet with defined amounts of Cry proteins and gossypol. This was supplemented by assays with leaf discs of induced and uninduced non-Bt and Bt cotton (expressing Cry1Ac and Cry2Ab). Additionally, we quantified Cry proteins and cotton terpenoids to describe the interactions in planta. We found that gossypol can increase the efficacy of Cry proteins in artificial diet in an additive way. Induced production of gossypol and other cotton terpenoids, however, did not increase the efficacy of Bt cotton owing to the strong impact of the Bt trait. CONCLUSION Cotton terpenoids may offer the chance to supplement the insect resistance of Bt cotton in cases were the pest is not strongly affected by the Cry proteins.

Más del 95% del algodón cultivado actualmente fue domesticado a partir de Gossypium hirsutum, una especie que se originó y diversificó en México. A pesar de su importancia, existen pocos estudios demográficos y genéticos sobre esta especie en su centro de origen y diversificación, a pesar de que son fundamentales para su conservación y mejoramiento. Investigamos la distribución actual y potencial de poblaciones de algodón silvestre, así como la contribución del flujo génico histórico y reciente en la configuración de la diversidad genética y la estructura de G. hirsutum. Evaluamos el flujo génico histórico mediante microsatélites cloroplastidiales y el flujo génico reciente a través de la detección de transgenes en poblaciones silvestres, aprovechando el hecho de que el algodón genéticamente modificado se cultiva en el norte de México desde 1996. El análisis de la estructura geográfica, mediante herramientas como el análisis espacial bayesiano (BAPS) y el algoritmo genético para la producción de conjuntos de reglas (GARP), sugiere que G. hirsutum sigue un esquema de metapoblaciones, con ocho metapoblaciones distintas. A pesar de la evidencia de flujo génico a larga distancia, la variación genética entre las metapoblaciones es alta (He = 0.894 ± 0.01). Se identificaron 46 haplotipos diferentes, de los cuales el 78% son únicos de una metapoblación en particular, en contraste con un solo haplotipo presente en los cultivares comerciales de algodón. También se detectó flujo génico reciente (m = 66/270 = 0.24), con presencia de transgenes en cuatro de las ocho metapoblaciones. Discutimos las implicaciones de estos datos en relación con la conservación y el futuro mejoramiento de las poblaciones de algodón y de su diversidad genética en su centro de origen.

Over 95% of the currently cultivated cotton was domesticated from Gossypium hirsutum, which originated and diversified in Mexico. Demographic and genetic studies of this species at its centre of origin and diversification are lacking, although they are critical for cotton conservation and breeding. We investigated the actual and potential distribution of wild cotton populations, as well as the contribution of historical and recent gene flow in shaping cotton genetic diversity and structure. We evaluated historical gene flow using chloroplast microsatellites and recent gene flow through the assessment of transgene presence in wild cotton populations, exploiting the fact that genetically modified cotton has been planted in the North of Mexico since 1996. Assessment of geographic structure through Bayesian spatial analysis, BAPS and Genetic Algorithm for Rule-set Production (GARP), suggests that G. hirsutum seems to conform to a metapopulation scheme, with eight distinct metapopulations. Despite evidence for long-distance gene flow, genetic variation among the metapopulations of G. hirsutum is high (He = 0.894 ± 0.01). We identified 46 different haplotypes, 78% of which are unique to a particular metapopulation, in contrast to a single haplotype detected in cotton cultivars. Recent gene flow was also detected (m = 66/270 = 0.24), with four out of eight metapopulations having transgenes. We discuss the implications of the data presented here with respect to the conservation and future breeding of cotton populations and genetic diversity at its centre of crop origin.

El algodón transgénico ha modificado significativamente el control de plagas en este cultivo durante la última década. El algodón fue una de las primeras plantas transgénicas cultivadas a gran escala con resistencia a insectos mediante proteínas de Bacillus thuringiensis (Bt) y tolerancia a herbicidas (Ht). Actualmente, los productores tienen disponibles más de 300 variedades transgénicas de algodón que expresan una o dos proteínas Bt dirigidas a larvas de lepidópteros, así como variedades apiladas (pyramided) con tolerancia a herbicidas. Sin embargo, los posibles impactos negativos de las plantas transgénicas han generado preocupaciones sobre su uso extensivo en grandes áreas de cultivo, como las destinadas al algodón. Casi el 8% de los 33.8 millones de hectáreas ha sido cultivado con algodón Bt, con una tendencia creciente en las próximas temporadas. Por ello, aspectos como la potencial malezabilidad (weediness), el flujo génico y el impacto sobre organismos no objetivo del algodón Bt y Ht han sido objeto de estudios detallados durante la última década. A pesar de las preocupaciones justificadas sobre los riesgos potenciales, los datos no muestran un impacto negativo significativo ni el desarrollo de resistencia en campo por parte de las plagas del algodón. En cuanto al impacto sobre organismos no objetivo, se han registrado cuatro efectos negativos sobre enemigos naturales, los cuales se discuten en este artículo. No se ha demostrado malezabilidad ni flujo génico en más de 333 estudios publicados, aunque existe poca información específica sobre los riesgos del flujo génico. Respecto a la resistencia de insectos, diversos factores influyen en su aparición en poblaciones de campo, como la biología de la especie y las interacciones con las condiciones ambientales. Se han realizado modelos sobre la evolución de la resistencia a las proteínas Bt en poblaciones de campo, y se ha determinado que el uso de variedades con una o dos proteínas Bt podría llegar a fallar dependiendo de la frecuencia de alelos de resistencia en dichas poblaciones. Por lo tanto, el cultivo de algodón transgénico requiere esfuerzo y vigilancia para garantizar la sostenibilidad del sistema, incluyendo la siembra obligatoria de refugios y el monitoreo de la resistencia en insectos y malezas. Este artículo presenta y discute siete secciones, además de una sección introductoria: Qué es una planta transgénica, métodos de mejoramiento convencionales y transgénicos en algodón resistente a insectos, cómo se desarrollaron los algodones transgénicos (Bollgard®, WideStrike®, VipCot® y algodones tolerantes a herbicidas), efectos potenciales sobre organismos no objetivo, resistencia y manejo de la resistencia, perspectiva del algodón Bt en Brasil, y el futuro del manejo de plagas en el algodón transgénico.

Transgenic cotton has significantly altered pest control in this crop during the last decade. Cotton was one of the first widely cultivated Bacillus thuringiensis (Bt) insect-resistant and herbicide-tolerant (Ht) transgenic plants. Over 300 transgenic cotton varieties expressing single or dual Bt proteins targeting lepidopteron larvae, as well as pyramided varieties with herbicide tolerance, are available to growers. Potential negative impacts of transgenic plants, however, have generated concerns over deploying these plants over extensive crop areas, such as those occupied by cotton. Nearly 8% of 33.8 million hectares has been cultivated with Bt cotton with the trend to increase in future seasons. Hence, weediness, gene flow, and impact on nontarget organisms by Bt and Ht cotton have been closely studied during the past decade. Despite justifiable concerns over potential risks, the data show neither a significant negative impact nor the development of field resistance by cotton pests. Results of nontarget impact registered four negative impacts on natural enemies, which are discussed here. No weediness and gene flow have been shown in over 333 published results, although little data exist for the risks of gene flow. Regarding insect resistance, several factors underline resistance appearance in field population, including species biology and interactions with the environmental conditions population. Modeling of the evolution of resistance in a field population to Bt proteins has been conducted and the use of single or dual Bt protein varieties might reach some failure due to resistance depending on gene frequency-conferring resistance in the population. Planting transgenic cotton, therefore, requires effort and vigilance to ensure sustainability of the system, including the planting of mandatory refuges and monitoring insect and weed resistance. This article presents and discusses seven sections beyond an introductory section: What is a transgenic plant, conventional and transgenic plant breeding methods in insect-resistant cotton, how transgenic cottons were developed (Bollgard®, WideStrike®, VipCot® and herbicide tolerant cottons), potential nontarget effects of Bt cottons, resistance and resistance management, Bt cotton perspective in Brazil, and the future of transgenic and pest management in cotton.

Se eligieron los algodones transgénicos Bt NewCott 33B y tfd A TFD para evaluar la frecuencia y la distancia de dispersión del polen del algodón transgénico (Gossypium hirsutum L.) en la zona algodonera del Valle del Huanghe, China. El objetivo fue evaluar la eficacia de los procedimientos de bioseguridad utilizados para reducir el movimiento del polen. Se sembró una parcela de prueba de algodón transgénico (6×6 m) en el centro de un campo no transgénico de 210×210 m. Los resultados indicaron que el polen del algodón Bt o del algodón tfd A podía dispersarse en el ambiente. La hibridación cruzada fue mayor dentro de la parcela de prueba central, donde la progenie de plantas no transgénicas, inmediatamente adyacentes a plantas transgénicas, presentó frecuencias de plantas resistentes de hasta 10.48%. La frecuencia de dispersión disminuyó significativamente y de forma exponencial a medida que aumentaba la distancia. La frecuencia y distancia del flujo génico mediado por polen de los genes tfd A y Bt fueron similares, pero el flujo génico del algodón tfd A fue mayor y llegó más lejos desde el bloque transgénico que el del algodón Bt (χ² = 11.712, 1 grado de libertad, p < 0.001). Para el gen tfd A, la hibridación cruzada osciló entre 10.13% a 1 metro y 0.04% a 50 metros de las plantas transgénicas. Para el gen Bt, la hibridación cruzada osciló entre 8.16% a 1 metro y 0.08% a 20 metros. Estos datos se ajustaron a un modelo de curva potencial: y = 10.1321x⁻¹.⁴¹³³ con un coeficiente de correlación de 0.999, y y = 8.0031x⁻¹.⁴⁸³ con un coeficiente de correlación de 0.998, respectivamente. En este experimento, la distancia máxima de dispersión del polen de algodón transgénico fue de 50 metros. Estos resultados indican que una zona de amortiguamiento de 60 metros serviría para limitar la dispersión del polen transgénico en ensayos de campo a pequeña escala.

Transgenic Bt cotton NewCott 33B and transgenic tfd A cotton TFD were chosen to evaluate pollen dispersal frequency and distance of transgenic cotton (Gossypium hirsutum L.) in the Huanghe Valley Cotton-producing Zone, China. The objective was to evaluate the efficacy of biosafety procedures used to reduce pollen movement. A field test plot of transgenic cotton (6×6 m) was planted in the middle of a nontransgenic field measuring 210×210 m. The results indicated that the pollen of Bt cotton or tfd A cotton could be dispersed into the environment. Out-crossing was highest within the central test plot where progeny from nontransgenic plants, immediately adjacent to transgenic plants, had resistant plant progeny at frequencies up to 10.48%. Dispersal frequency decreased significantly and exponentially as dispersal distance increased. The flow frequency and distance of tfd A and Bt genes were similar, but the pollen-mediated gene flow of tfd A cotton was higher and further to the transgenic block than that of Bt cotton (χ2 = 11.712, 1 degree of freedom, p<0.001). For the tfd A gene, out-crossing ranged from 10.13% at 1 m to 0.04% at 50 m from the transgenic plants. For the Bt gene, out-crossing ranged from 8.16% at 1 m to 0.08% at 20 m from the transgenic plants. These data were fit to a power curve model: y=10.1321x −1.4133 with a correlation coefficient of 0.999, and y=8.0031x −1.483 with a correlation coefficient of 0.998, respectively. In this experiment, the farthest distance of pollen dispersal from transgenic cotton was 50 m. These results indicate that a 60-m buffer zone would serve to limit dispersal of transgenic pollen from small-scale field tests.