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Biodiversidad de rrgg y biotecnologia moderna
 

Biodiversidad de rrgg y biotecnologia moderna

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  • Estructura de un gen En el cromosoma : DNA Expresión de un gen Transcripción : RNA o Transcripto Traducción : Proteina
  • This example shows how we can use genetic information from model species to test hypotheses about late blight resistance in potato CIP will apply genomic and bioinformatics approaches of comparative biology and genetics to leverage diversity and information in related taxa as a means to discovery of useful alleles and new sources of traits in the germplasm collections.
  • The potato is one of 2000 species in one of agriculture’s most important plant family, the Solanaceae. This important plant group contains an incredible array of adaptations, forms and functions, has served man valiantly with food, drugs, employment and economic wealth since domestication from the wild Although few of these species can be crossed sexually, discoveries from comparative genetic mapping and DNA sequencing have shown us that this diversity rests on a common repertoire of genes, including order in genomes and function in gene networks and in response to challenges from the environments – both natural and managed. These plants have in common many of the pests and pathogens, and metabolic processes we seek to manage in agriculture.

Biodiversidad de rrgg y biotecnologia moderna Biodiversidad de rrgg y biotecnologia moderna Presentation Transcript

  • BIODIVERSIDAD DE LOS RECURSOS FITOGENETICOS Y ROL DE LA BIOTECNOLOGIA MODERNA EN LA CONSERVACION, USO SUSTENTABLE Y COMPETITIVIDAD Curso: “Bioseguridad y Biotecnología Moderna” W. Roca UNALM, Dic. 2010
  • Centros de Origen Vavilov y Diversidad de Cultivos CENTRO 7: Maíz, Papa, Yuca, Algodón, Arroz; CENTRO 8: + 180 domesticados ; ej. Papa, Yuca, Maíz, Algodón,
  • La inter-dependencia en RRGGs : factor para el mejoramiento de los cultivos(*) Cultivo Región de origen Región Fecha y diversidad receptora aprox. Papa Sur-América Europa-Asia- 1,500´s-1,800´s Norte América-Africa Camote Américas Filipinas-Indonesia 1,500´s – 1,700´s Europa-Africa-Asia Trigo Europa Américas 1,500´s Arroz Asia Américas 1,800´s Maíz Américas Europa-Africa 1,500´s (*) Perú : La agroexportación peruana depende de introducciones históricas de cultivos: uvas, café, mangos, cítricos, plátano, espárragos, alcachofa, higos, (*) Para generar la var. “Veery” de trigo de usaron 51 parentales de 23 paises.
  •  
  • Variacion Genetica : La diversidad de especies a nivel de los genes Los organismos pueden compartir genes homólogos pero no son idénticos. Alineamiento entre dhdps ( dihidro-picolinato –sintasa ) de papa y de la bacteria Thermococcus litoralis : identidad = 42.3% ( De M.Ghislain, 2005 )
  • Recursos Genéticos y Genómicos para la pre-mejora y mejora de los cultivos
    • Recursos Genéticos
    • Colecciones de germoplasma
    • Grupos de genotipos
    • Poblaciones
    • Stock de mutantes
    • (RILs, NILs)
    • Acceso a:
    • Rasgos
    • Biodiversidad
    • Recursos Genómicos
    • Marcadores Moleculares
    • Librerías genómicas y de cDNA
    • EST
    • Mapas genéticos y físicos
    • Perfiles de expresión de genes
    • Secuencias genómicas
    • Acceso a:
    • Estructura de poblaciones y acervos
    • Funciones génicas
    • Localización de genes
    • Regulación de genes
    • Ligamento de genotipos a fenotipos
    • MAS
  • En el Perú hay larga tradición en el desarrollo de colecciones de germoplasma (*) Fuente: Sevilla, R. INIA (2005) 10/4 ** *** *** ** *** *** 10/4 Norte Centro Sur Norte Centro Sur Alta Baja Total Instituciones 7 6 2 3 3 6 8 7 42 Ra í ces y tub érculos 7 7 2 7 6 4 3 3 39 Cereales y granos 1 3 1 2 2 2 11 Frutas andinas y tropicales 1 2 1 2 5 1 6 18 Leguminosas de grano 1 2 1 2 2 2 10 Plantas medicinales 1 1 1 1 1 5 Pastos y forrajes 5 1 6 Cultivos industriales 1 2 7 5 15 Total 11 16 5 14 13 10 22 13 104 Costa Sierra Selva (*) Incluye colecciones vivas en el campo, en invernaderos, tinglados y en cámaras _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
  • Plantas Medicinales: Comercialización de productos obtenidos de In-situ – vs – de Colecciónes / Cultivos In-situ Colección/Cultivo Disponibilidad Disminuyendo Aumentando Fluctuación de la oferta Inestable Controlada Control de calidad Baja Alta Identificación botánica Imprecisa Definida Manipulación agronómica No Sí Mejoramiento genético No Sí Manejo Post-cosecha Bajo Usualmente Alto Adulteración Posible Relativamente seguro
  • Evaluación de Colecciones de Germoplasma
    • Fenotipeo
    • Identificación de rasgos
    • De: metodologías estándares
    • de evaluación de rasgos
    • Campos
    • Invernadero
    • A: Fenotipeo de Alto
    • Rendimiento
    Genotipeo Desarrollo de marcadores Descubrimiento de genes SNPs OMICAs
    • Racionalización de colecciones
    • Variabilidad genética máxima
    • Evaluación de la biodiversidad
  • Marcadores moleculares para medir la integridad genetica ( caso : papas silvestres) Collection & initial multiplication Long-term storage 20-25 years Regeneration Multiplication Evaluacion de la frecuencia alelica usando AFLPs S. acaule : la mayoria de los alelos no cambiaron S. cajamarquense : se observo cambios en frecuencia alelica Conservacion de semilla : largo plazo
  • Origen y Domesticación de los Cultivos (caso Papa) Cuáles son los progenitores silvestres? Cuántas veces ocurrio la domesticacion? Dónde ocurrio la domesticacion?
  • Clasificación y taxonomia ( ej. Caso papa) 3 grupos : - Silvestres (muy diversas) - Cultivadas nativas (Andes y en el Centro- Sur de Chile) - Cultivadas modernas
    • La ploidia - caracter taxonómico para la clasificación de las papas cultivadas
    Tratado taxonómico más aceptado (Hawkes, 1990; Salaman, 1937) S. ajanhuiri (2n=2x=24) S. chaucha (2n=3x=36) S. curtilobum (2n=5x=60) S. juzepczukii (2n=3x=36) S. phureja (2n=2X=24) S. goniocalyx (2n=2X=24) S. stenotomum (2n=2X=24) S. tuberosum ssp. tuberosum (2n=4X=48) ssp. andigenum (2n=4X=48)
  • Comparacion de poblaciones de RRGGs, asociacion de patrones geográficos con la diversidad genética , busqueda de germoplasma nuevo en las poblaciones: ej. Colaboracion :Parque de la Papa-CIP ( 2004-06) 15 130 3 0.76 Chahuaytire 0 58 Paru paru 0 0.77 112 208 0.78 246 Repatriado (*) 114 195 0.76 93 Pampallacta Alelos Exclusivos Indice Div. Gen. Riqueza Alélica No. cultivares Comunidades (*) Colección enviada del Banco de Germoplasma para restaurar la diversidad del Parque
  • Valor Actual y Potencial estimado de los RR-Fito-GGs ensamblados en Bancos de Germoplasma (*)
    • Valor Actual o de Existencia (*)
    • US$ x Entrada x Año
    • Corto Plazo 1.50- 2.15 Arroz, Trigo 2.00- 3.00 Maíz, Maní 20.00-30.00 Yuca, Papa
    • Largo Plazo
    • 15.00 Arroz
    • 50.00 Maíz
    • 80.00-90.00 Yuca, Papa
    • Valor Potencial o de Opción (**)
    • US$
    • Niveles de valor agregado:
    • Extractos crudos 300-500 x entrada
    • Tamizado químico o biológico 800-900 x entrada
    • Librerías químicas (molécula caracterizada) 1-2 Mill.x lib.
    • Licencias:
    • - Uso de lib. genética 80,000-150,000
    • - Uso de gen caracterizado 200,000
    • (*) Servicios que ofrece el Banco:
    • Conservación, Distribución, Información
    • Regeneración, limpieza, indexado
    (**) Genes, Complejos de Genes, Bioquímicos, Productos bioactivos, etc. (*) Koo, Pardey, Wright, –IFPRI, 2005)
  • (*) Proporción de los beneficios esperados derivados del uso de tecnologías para enfrentar las principales limitaciones en el cultivo de la papa
  • Contribución de la biotecnología moderna para utilizar la diversidad genética de los cultivos
    • Mapeo genético
    • Mejoramiento asistido por marcadores
    • Descubrimiento de genes:
      • Genes candidatos
      • Expresión diferencial
      • Clonación de genes
    • Mejoramiento convencional , transgenico
    • y genomico
  • Integrando material transgénico con germoplasma elite en el mejoramiento usando haploides doblados : Resistencia a Hoja Blanca- Arroz
    • GMO
    • (T0)
    Ensayos de Rendimiento Ensayos Regionales Ensayos Comerciales Liberación Selección Cultivo de Anteras de Arroz (Z. Lentini, 2005, CIAT)
  • Localización de genes candidatos en poblaciones de mapeo que segregan para resistencia a la rancha (*)
    • Phenylalanine ammonia lyase (PAL) and osmotin-like defense-response genes were characterized in the potato genome (PD59).
      • >16 PAL genes
      • 9 OSM on VIII
    • Osm from S. phureja delayed symptoms
    (*) Castillo Ruiz et al., (2005). Mol Gen Genomics 274:168-179 11.2 16.6 8.3 6.3 10.5 STM1104 32/49.c 31/36.b 38/32.b 40/51.D 34/33.T STM0024 STM1105 STM1057 CD29 TG45 OSM-8 15.2 2.59 0.0
  • Enfermedades # especies Genotipos y e species que estudiadas presentan resistencia Virus PVY 31 8: sto(*), hou(*), acl(**), jlc(**) PLRV 10 8: chm(1), dol(1), jlc (1), mrn (1,2) APMV 42 10: acl, chm, col, scr, tnd, wtm PVS 24 11: acl,alb,cnd,mga,spl,scr PVX 60 14: acl,aln,alb,acp,chc,chq,spl Marchitez bacteriana 113 6: acl, adg, chc ( Ralstonia solanacearum ) Tizón tardío 120 51: pur, acl, pcs, cjm, chq, blb (Phytophtora infestans) 7 24-120 102 genotipos: 23 species Fuentes de genes de resistencia para estrés biótico identificadas en la biodiversidad de papas silvestres (1) (*) mostró resistencia extrema (**) mostró tolerancia (1) con resistencia al vector y a la infección viral (1,2) con resistencia al vector, a la infecci ón y a la acumulación del virus (1) CIP, 1999-2005
  • Ej. Genes clonados para el mejoramiento de la papa (*) Genes Fuente Uso R S. demissum Resistencia a “tizón tardío” Ry S. stoloniferum Resistencia a PVY Rpi-blbl S. bulbocastanum Resistencia a “tizón tardío” Grol S. spegazzinii Resistencia a nemátodo Rx S. andigena Resistencia a PVX Proteína Viral PLRV Resistencia a PLRV Anti-sentido iRNA - Relación amilosa / amilopectina (ADP-GPi) (GBSS) - Carotenoides (zeaxanthina) Defensina* Maca Resistencia a “tizón tardío” GLS* Mashua Resistencia a “tizón tardío” (*) Fuente: Solis et al, 2007; varios otros
  • RESISTENCIA TRANSGENICA AL TIZON TARDIO (*)
    • Transferencia del gen Rpi-blb1 de S. bulbocastanum (*) a vars. susceptibles
    Resistance to broad-range of isolates A, B, C: 3 candidates genes B: Rblb D: not transformed E: not transformed, not inoculated (*) Sang et al (2003) 2648 3076 3756 6239 blb1a blb1b blb1c blb1i blb1d P1 Rpi-blb1 (7349 bp) Regulatory region Exon Intron blb1i2
  • Cultivo Papa Trigo Alfalfa Sorgo Maíz Arroz Soya Pollo a la brasa
  • Por miles de años la biodiversidad ha desarrollado adaptaciones, expresando genes, en condiciones ambientales extremas: Especies silvestres Solanum (*) (*) Fuente: A. Salas, CIP (2006) SEQUIA HELADAS S. augustii S.mochiquense S. tarapatanum S.olmocense S. sandemanii S.sucrense S. gracilifrons S.blanco-galdosii S. tacnaense S.neocardenasii S. chancayense S.boliviense S. medians S. acaule S. chomatophilum S. bukasovii S. albicans S. huarochirense S.commersonii SALINIDAD INUNDACION S. medians S. tacnaense S. brevidens S. yungasense S.longiconium S. burkartii S.woodsonii S. humectophilum S.albornosii S. urubambae
  • PAPAS NATIVAS CULTIVADAS: FUENTE POTENCIAL DE TOLERANCIA A LA SEQUIA(*) (*) Cabello, R. et al, CIP (2007) (**) Schafleitner, R, et al, CIP: Plant Physiol. & Biochem. 45: 673 – 690 (2007) Orden Nombre Especie Procedencia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Sullu (**) Venancia Renacimiento Yana mataj Muru markatina Wayru Yana putis Rosita Hayruro Yana rucunag Color uckuna S. subsp. andigena S. x chaucha S. subsp. andigena S. subsp. andigena S. xc haucha S. subsp. andigena S. chaucha S. subsp. andigena S. subsp. andigena S. x chaucha S. X chaucha Cuzco Pasco Ancash Junín Huanta Huamanga Cuzco Ancash Cuzco Junín Cuzco
  • Expresión de genes inducidos por estrés hídrico en papas nativas (*)
    • Rasgos con mayor expresión :
    • Ajuste osmótico
    • Metabolismo de carbohidratos
    • Modificación de membranas
    • Reparación de la cutícula
    • Mecanismos se rescate celular
    • Análisis usando microarreglos con genes de Arabidopsis y Solanaceas
    • Fenotipos:
    • Sullu : mayor retención de agua foliar
    • SA2563: mayor crecimiento radicular
    (*) Schafleitner, R., et al, (CIP); Plant Physiol. & Biochem. 45: 673 – 690 (2007) ARN de hojas de 2 cvs de papa estresadas “ Sullu ” y SA2563 Microarreglos con 10,000 secuencias ( TIGR)
    • Selección de 1,713 genes expresados:
    • 186 con mayor expresion
    • grupo especifico genes en c/cultivar
    No change Up regulat. Down regul. Expresión de genes
    • Genes relacionados a rutas metabólicas
    • Genes relacionados a rasgos
  • Knowledge transfer from model plants to crops Arabidopsis Potato /Tomato ≈ Transferencia de conocimientos de especies modelo a cultivos
  • Leptostemonum clade Brevantherum clade Geminata clade Cyphomandra clade Wendlandii/Allophyllum clade Dulcamaroid clade Morelloid clade Potato clade African non-spiny clade Normania clade Archaesolanum clade Regmandra clade Thelopodium clade Lycianthes Capsicum Jaltomata Witheringia Physalis (Preparado por M. Bonierbale, basado en Bohs 2005) Genómica comparativa: amplía el rango de utilización de la variación genética de la agrobiodiversidad Fam. Solanaceae TAMARILLO PEPPER SMALL FRUITS EGGPLANT, NARANJILLA LEAFY VEGETABLES & FRUIT CROPS POTATO, TOMATO, PEPINO
  • Genes Crop biodiversity Marine biodiversity Microorganism diversity Human health Industrial scale-up Andean biodiversity Pollinator diversity Human health Productos de la biodiversidad con mayor valor agregado usando biotecnología
  • Cadena de Valor de la Biotecnología Fuente: UBS Warburg (2004)
  • Tendencias en los mercados globales para productos de la biodiversidad (Millones USD x a ño) (CAF-CEPAL, 2005) Valor económico Crecimiento anual: (*) 6%; (**) 10-15%; (***) 10%; (****) 30-40% Valor social Enzimas 1,800 (***) Vacunas enf. tropicales Alimentos Funcionales Nutracéuticos 20,000 Extractos 1,000 Transgénicos 6,900 (*) Agricultura 62,000 Pesticidas 30,000 Cosméticos 170,000 Cosmecéuticos 22,000 (**) Farmacéutico 300,000 Biofarmaceútico 41,000 Bioinformática Bioconductores 1,100 (****)
  • Ejemplos de Costos (US$) de tamizados, aislamientos y descubrimientos de moléculas y genes usando librerías químicas y genéticas de RRGGs
    • “ GSK” a “Extracta”: 3.2 Mill. por tamizar 30,000 muestras
    • “ Bochringer Manheim” a “Analytical Discovery”: 8.0 Mill. por aislar 10,000 compuestos
    • “ IntraBiotycs” a “Diversa”: 20.0 Mill. por descubrir moléculas anti-bacteriales y anti-fúngicas de su librería
    • “ Tsumura” a “Phytera”: 9.4 Mill. por tamizar y aislar moléculas pequeñas de librería de Phytera para tratar artritis reumatoidea y alergias
    • “ Eli Lily” a “Phytera”: 41 Mill. por descubrir agentes para diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades infecciosas fúngicas (humanos y animales)
    • CAF-CEPAL, 2005
  • Duración y Costo de Programas de I&D en diferentes sectores industriales Sector Industrial Desarrollo (años) Costo (Millones US$) Farmacéutico 10-15+ 200-500 Medicinas botánicas < 2-5 0.15-7 Cosm éticos <2-5 0.15-7 Enzimas industriales 2-5 2-20 Semilla comercial-cultivos 8-12 1-2.5 Horticultura ornamental 1-10+ 0.05-5 Protecci ón de cultivos Biocontrol 2-5 1-5 Pesticidas químicos 8-12 40-80 Transgénicos 4-8 <5-20 .K.T.Kat & S.A.Laird ( Comm. CCEE ,2000)
  • Precios de Recursos Genéticos y sus Derivados (*) Producto Comercial Precio x gr. o ml (US$) Hormona de crecimiento humano 20,000 Taxotere / Docetaxol 12,000 Soy-Vincistrina 11,900 Cocaína 150 Vesícula seca de oso 7 Hueso de Tigre 3 Aleta de Tiburón 0.5500 Café 0.0100 Algodón 0.0015 Uña de gato Crudo 0.0010 Gelatinizado 0.0120 Producto bioactivo 0.0800 Oro 90 Petróleo 0.0010 (*) K.T. Kat & S.A. Laird (Comm. CCEE, 2000)
  • $ 2.0 Seca $ 0.4/kg Fresca $ 6.0 Harina $ 8.3 Harina gelatinizada $ 23.1 Capsulas $ 39.0 Extractos
    • Genes
    • Moléculas
    • Compuestos bioactivos
    • Variedades mejoradas
    • Cultivares seleccionados
    Niveles de valor agregado a la Maca ( W.Roca, I. Manrique, C. Arbizu 2008 ) CAMPO AGRICULTOR PLANTA DE PROCESAMIENTO LABORATORIO I + D + i
  • Potencial de la Maca para la Nutrición y la Salud
    • Principales componentes (*)
    • Aminoácidos esenciales (lisina, arginina)
    • Acidos grasos insaturados ( linoleico, oleico, laúrico, palmítico)
    • Alkaloides ( macaena, macamida)
    • Fitosteroles ( campest.,stigmast.,sitost.)
    • Flavonoides
    • Glucosinolatos (glucotropaeolina, sinalbina,
    • benzil-gls,hidroxi-gls,metoxi-gls)
    Glucosinolatos GLS Isotiocinatos Tiocianatos Nitrilos Contenido de GLS (umol/g PS) Maca (1) 3.8 – 69.5 Col Bruselas ( 3 ) 34.9 Brócoli ( 3 ) 16.7 Rabanito ( 3 ) 7.0 Ramallo et. al. (2004) (2); Kyeoung-Jun,2005; Piacente, et al 2002; Marthe,et al 2002;Lock ,2001. . . .
    • Detoxifica carcinógenos
    • Bloquea proliferación de células cancerosas
  • Biotecnologia : Conservación y Uso de los RRGGs AgroBiodiversidad Colecciones Ex-Situ Morphological approach Genetic approach Chemical approach Traditional Breeding Marker assited Breeding Genetic Engineering Genomic-based Improvement Germoplasma seleccionado Germoplasma Seleccionado Germoplasma genéticamente mejorado Mapas Genéticos Librerías DNA Librerías de genes Genes Extracts Chemical Libraries Functional Bioactive compound Molecules
  • Prioridad en los criterios para la selección de oferta de muestras de RRGGs para I&D (Total: 20 compañías)
    • Diversidad biológica 17
    • Costo por muestra 13
    • Facilidad para obtención de permisos 12
    • Calidad de la muestra 10
    • Calidad de científicos nacionales 9
    • Derechos de PI disponible en país 9
    • Confiabilidad de la oferta 9
    • Otros 2
    (*) K.T. Kat & S.A. Laird (Comm. CCEE, 2000)
  • Papel de la Biotecnología en la Competitividad del Sector Agropecuario
    • El Mejoramiento Genético de Precisión – responde a necesidades de mayor productividad y rentabilidad de actividades agropecuarias
    • Biotecnología: clave para enfrentar retos globales: - Aumentar la productividad - Reducir costos - Reducir la “huella ecológica” - Contribuir a enfrentar el cambio climático y emisión de gases de efecto invernadero - Conservación de la biodiversidad - Solucionar escasez mundial de alimentos - Retener la población en el ámbito rural
    • “ Cuellos de botella” - Mejora del capital humano - Mejor acceso al mercado internacional - Fomento a la innovación - Infraestructura y logística: transporte, riego - Empresarización rural - Financiación
    • - Conocimiento = Valor agregado
  • Desarrollo sustentable Competitividad
    • Salud / Nutrición
    • Medioambiente
    • Agricultura
    • I ndustria
    Refuerza la capacidad de negociación Mobiliza la utilización Biotecnología Biodiversidad
  •