INVESTIGACIÓN Y MEJORA EN HORTÍCOLAS

Transcripción

1 INVESTIGACIÓN Y MEJORA EN HORTÍCOLAS Jaime Prohens Instituto de Conservación y Mejora de la Agrodiversidad Valenciana (COMAV) Universitat Politècnica de València

2 1. Particularidades de la mejora de hortícolas -Mercado muy dinámico y diversificado Lechuga: 576 variedades -Batavia: 76 -Batavia roja: 12 -Batavia verde: 20 -Maravilla de verano: 16 -Mantecosa invernadero: 23 -Mantecosa aire libre: 44 -Crujiente o Iceberg: 86 -Romana verde: 94 -Romana roja: 4 -Cogollos verdes: 64 -Cogollos rojos: 10 -Corte multifoliar: 9 -Lollo rosa: 29 -Lollo biondo: 18 -Tipo Tango: 2 -Hoja de roble roja: 38 -Hoja de roble verde: 31

3 1. Particularidades de la mejora de hortícolas -Mercado muy dinámico y diversificado Tomate: 776 variedades -Cal. Grueso: 182 -Corazón de buey: 11 -Cal. Medio: 67 -Marmande: 18 -Cal. Pequeño: 10 -Colgar: 6 -Pera: 50 -San Marzano: 4 -Mini San Marzano: 4 -Cherry: 85 -Cherry pera: 44 -Ramillete Tam. Medio: 45 -Ramillete Pera: 10 -Ramillete mini: 56 -Determinado entutorado: 4 -Determinado rastrero: 44 -Industria: 105 -Portainjertos: 31

4 1. Particularidades de la mejora de hortícolas -Competencia muy intensa

5 1. Particularidades de la mejora de hortícolas -Alta tasa de renovación de variedades -Alto valor de la semilla -Diversificación de tipos -Acumulación de múltiples resistencias Lechuga: LMV Nasonovia ribisnigri Bremia lactucae (a múltiples razas [1-28]) Tomate: Verticillium Fusarium Nematodos (varias especies) ToMV TSWV TYLCV

6 2. Tendencias -Diversificación -Resistencias a nuevas enfermedades introducidas -Variedades con altos contenidos en compuestos bioactivos -Tipos mini -Portainjertos -Semillas para cultivo ecológico

10 2. Tendencias El éxito de una nueva variedad depende de la MEJORA INTEGRAL de la misma Además de nuevos atributos de Valor Añadido Debe presentar una buena combinación de: -Producción -Resistencia a enfermedades -Larga vida -Calidad

11 3. Colaboración público-privada El entorno actual: -Excelentes grupos de investigación públicos -> Alto potencial de uso y transferencia de herramientas modernas -Grupos públicos sufren una reducción de financiación pública -> Necesidad de grupos de investigación de búsqueda de fuentes alternativas (incremento de colaboración público-privada) -Plataformas e instrumentos que facilitan la cooperación público-privada: -> BIOVEGEN ->CDTI -Coexistencia de grandes multinacionales de mejora con empresas pequeñas -> Necesidades diferentes para la colaboración -Diferentes percepciones sociales de la biotecnología -> Técnicas que aumentan la eficiencia de selección (OK) -> Técnicas que aumentan la diversidad (OK si son convencionales ) -> Técnicas que aumentan la diversidad (problemas si son OMG)

12 3. Colaboración público-privada Principales intereses de empresas en colaboración: Prestaciones de servicios y recursos: -Germoplasma -Nuevas fuentes de resistencia -Cribados de material -Material de élite (líneas de introgresión, etc.) -Mutantes -Análisis de marcadores moleculares -Análisis bioinformático Proyectos de investigación: -Resistencias a enfermedades -Mejora calidad -Fuentes alternativas de arga vida -Mejora compuestos bioactivos -Portainjertos

13 4. Biotecnología y Mejora Genética Vegetal La combinación de selección natural y artificial durante el proceso de domesticación de los cultivos trajo consigo: -La modificación genética de los cultivos

14 4. Biotecnología y Mejora Genética Vegetal La combinación de selección natural y artificial durante el proceso de domesticación de los cultivos trajo consigo: -La reducción de la diversidad genética (cuello de botella genético)

15 4. Biotecnología y Mejora Genética Vegetal La combinación de selección natural y artificial durante el proceso de domesticación de los cultivos trajo consigo: -La acumulación de formas locales y diversificación por los órganos aprovechados

16 5. El éxito de la Mejora Genética Vegetal Durante gran parte del siglo pasado este éxito del mejoramiento genético se ha basado en gran medida en: -Utilización de recursos genéticos (+ mutantes artificiales) -Selección e hibridación (+ herramientas de genética mendeliana y cuantitativa)

17 5. El éxito de la Mejora Genética Vegetal Durante gran parte del siglo pasado este éxito del mejoramiento genético se ha basado en gran medida en: -Utilización de recursos genéticos (+ mutantes artificiales) -Selección e hibridación (+ herramientas de genética mendeliana y cuantitativa) Variedades tradicionales Variedades mejoradas Erosión genética Diversidad Uniformidad

18 6. Retos de la Biotecnología Agrícola -Aumento de la producción Diferentes escenarios indican que, comparado con el año 2000, para 2010 habrá que aumentar la producción de alimentos entre un 59% y un 99%

19 6. Retos de la Biotecnología Agrícola -Agotamiento de suelo cultivable Existen ya pocas zonas aprovechables, las cuales merecen ser conservadas

20 6. Retos de la Biotecnología Agrícola -Restricciones en la disponibilidad de agua Comparado con valores de 1995, para 2025 se requerirá un incremento en la disponibilidad de agua de riego de más de un 200%

21 6. Retos de la Biotecnología Agrícola -Reducción de la calidad de los suelos (e.g.: salinidad) El manejo inadecuado de suelos ha provocado la salinización de muchas tierras de cultivo Mapa de zonas de riesgo de salinización

22 6. Retos de la Biotecnología Agrícola -Producción sostenible Una agricultura más sostenible requiere un uso racional de agroquímicos

23 6. Retos de la Biotecnología Agrícola -Adaptación al cambio climático El aumento de temperaturas obligará a la adaptación de cultivos y originará nuevos estreses

24 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Las nuevas biotecnologías han permitido un incremento en la eficiencia de los programas de mejora y variación disponible para el mejorador Cultivo in vitro Micropropagación Doble haploides Selección in vitro Hibridación somática Rescate de embriones Variación somaclonal

25 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Las nuevas biotecnologías han permitido un incremento en la eficiencia de los programas de mejora y variación disponible para el mejorador Marcadores moleculares Selección asistida Mapas genéticos Huellas genéticas P1 P2 Listada de Gandía I371 I25 LDG 99.9 P169 R LPT 99.0 PAN MAN IL1 VS VS LBCS ZEB ANS LRS CS LTGS ILn Identificación QTLs Líneas de introgresión Manejo germoplasma CS10 CS23 VS22

26 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Las nuevas biotecnologías han permitido un incremento en la eficiencia de los programas de mejora y variación disponible para el mejorador Resistencia a herbicidas Resistencia a plagas Resistencia a enfermedades Resistencia a estreses Mejora del rendimiento Nuevas ornamentales Vacunas Biorreactores Biorremediación Transformación genética

27 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Hoy en día estas nuevas biotecnologías nos permiten llevar a cabo la superdomesticación Superdomesticación: Obtención de un cultivo domesticado con un incremento importante de producción (u otro atributo) que no podría ser seleccionado sin el recurso a las nuevas biotecnologías. Un ejemplo de superdomesticación: El arroz híbrido de alto rendimiento -Esterilidad citoplásmica o nuclear -Heterosis -Identificación de genes y QTLs -Selección asistida por marcadores -Aumento de la diversidad

28 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Hoy en día estas nuevas biotecnologías nos permiten llevar a cabo la superdomesticación Superdomesticación: Obtención de un cultivo domesticado con un incremento importante de producción (u otro atributo) que no podría ser seleccionado sin el recurso a las nuevas biotecnologías. Un ejemplo de superdomesticación: El arroz híbrido de alto rendimiento -Esterilidad citoplásmica o nuclear -Heterosis -Identificación de genes y QTLs -Selección asistida por marcadores -Aumento de la diversidad

29 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Hoy en día estas nuevas biotecnologías nos permiten llevar a cabo la superdomesticación Superdomesticación: Obtención de un cultivo domesticado con un incremento importante de producción (u otro atributo) que no podría ser seleccionado sin el recurso a las nuevas biotecnologías. Un ejemplo de superdomesticación en progreso: El arroz C 4 -Las plantas C 4 son un 50% más eficientes en la fotosíntesis que las C 3 -La transformación de C 4 en C 3 implica a un importante número de procesos, habiéndose indicado un mínimo de 8 cambios fisiológicos necesarios para obtener arroz C 4

30 7. Aportaciones de las nuevas biotecnologías -Hoy en día estas nuevas biotecnologías nos permiten llevar a cabo la superdomesticación Superdomesticación: Obtención de un cultivo domesticado con un incremento importante de producción (u otro atributo) que no podría ser seleccionado sin el recurso a las nuevas biotecnologías. Un ejemplo de superdomesticación en progreso: El arroz C 4 -Las plantas C 4 son un 50% más eficientes en la fotosíntesis que las C 3 -La transformación de C 4 en C 3 implica a un importante número de procesos, habiéndose indicado un mínimo de 8 cambios fisiológicos necesarios para obtener arroz C 4

31 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura -Existen numerosas aplicaciones de las nuevas biotecnologías para el mejoramiento genético. Algunas de ellas, muchas de las cuales están interrelacionadas, son: -Organismos genéticamente modificados Transgénesis Cisgénesis -Ómicas (genómica, proteómica, metabolómica, etc.) de cultivos Análisis masivos de secuencias, proteinas, metabolitos, etc. -Desarrollo de marcadores moleculares (mayoritariamente básados en la PCR) AFLPs, SSRs, SNPs, y un largo etcétera -Identificación de genes y QTLs (incluso de domesticación en especies silvestres) -Selección asistida por marcadores -Búsqueda de variantes alélicas TILLING EcoTILLING -Mapeo por asociación -Bioinformática

32 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Consiste en la transferencia artificial de un gen natural del mismo cultivo o de especies relacionadas sexualmente compatibles. El gen a transferir pertenece al germoplasma primario del cultivo y se ha generado como consecuencia de la evolución natural. El auge de la cisgénesis es posible debido a: 1) Disponibilidad de sistemas de transformación libres de resistencia a antibióticos

33 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis

34 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis

35 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Consiste en la transferencia artificial de un gen natural del mismo cultivo o de especies relacionadas sexualmente compatibles. El gen a transferir pertenece al germoplasma primario del cultivo y se ha generado como consecuencia de la evolución natural. El auge de la cisgénesis es posible debido a: 2) Aislamiento de genes de plantas cultivadas y especies silvestres relacionadas, gracias al auge de la genómica moderna.

36 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis A nivel legislativo y de opinión pública, las plantas cisgénicas pueden tener menos inconvenientes que las plantas transgénicas.

37 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis No obstante, difiere de la introgresión por cruzamientos en que la inserción en el genoma generalmente es en un locus distinto, pero no difiere de la mejora por traslocación inducida.

38 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Variedad con translocación inducida

39 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Variedad con translocación inducida

40 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Una aplicación de la cisgénesis es para la introducción de genes de resistencia a Phytophthora infestans en la patata.

41 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Una aplicación de la cisgénesis es para la introducción de genes de resistencia a Phytophthora infestans en la patata.

42 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Cisgénesis Una aplicación de la cisgénesis es para la introducción de genes de resistencia a Phytophthora infestans en la patata. Solanum tuberosum (2n=48) Solanum bulbocastanum (2n=24)

43 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva En la actualidad existen varias plataformas de secuenciación masiva: Sec. convencional Sec. nueva generación Solexa -SOLiD -Polonator -HeliScope Estas técnicas permiten la secuenciación masiva de genomas

44 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva Los costes de secuenciación están disminuyendo de forma exponencial A. $10,000 B. $100 C. 1$ D. 1 $cts E. 0.1 $cts F $cts G $cts

45 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva El número de genomas completos está creciendo de forma rápida

46 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva El número de genomas completos está creciendo de forma rápida Especies con la secuencia completa (negro) o casi finalizada (azul)

47 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva El número de genomas completos está creciendo de forma rápida Hortícolas: -Tomate -Pimiento -Berenjena -Pepino -Melón -Sandía -Col

48 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva Algunas de las aplicaciones de la secuenciación masiva en el mejoramiento genético incluyen: -Descubrimiento de marcadores (SNPs, SSRs, etc.) -Identificación de genes/qtls -Descubrimiento de alelos y mutaciones -Genómica comparativa entre distintas especies

49 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Secuenciación masiva

50 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Ejemplos prácticos de la utilidad de la secuenciación masiva: Secuenciación masiva Confirmación y comparación de secuencias de líneas cuasiisogénicas y líneas de introgresión para la detección de genes y QTLs de interés agronómico

51 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura TILLING La técnica TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes) consiste en inducir mutaciones y posteriormente detectar dichas mutaciones en genes o regiones genómicas de interés. Para ello se siguen los siguientes pasos: 1) Mutagénesis (p.e j. EMS) 2) Extracción ADN y formación de grupos 3) Amplificación por PCR de la región de interés 4) Detección de heteroduplex (p.ej. HPLC desnaturalizante, o el enzima CEL I) 5) Detección de individuos mutantes 6) Secuenciación del producto PCR mutante

52 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura TILLING Esquema de la técnica

53 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura EcoTILLING La técnica EcoTILLING es una modificación de la técnica TILLING, en la cual no se inducen mutaciones, sino que se parte de la diversidad natural presente en variedades locales, materiales de mejora, etc. Ejemplo práctico de la utilidad de la técnica EcoTILLING: Cribado de melón y especies silvestres para variantes alélicas del factor de transcripción eif4e, implicado en la resistencia al virus MNSV

54 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura EcoTILLING Ejemplo práctico de la utilidad de la técnica EcoTILLING: Cribado de melón y especies silvestres para variantes alélicas del factor de transcripción eif4e, implicado en la resistencia al virus MNSV. En un total de 113 accesiones se encontraron 6 haplotipos, de las cuales sólo una (H.4), presente en 4 accesiones, no era silenciosa y confería resistencia a MSNV.

55 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Líneas de introgresión Suponen una herramienta muy potente, ya que es un material de élite con introgresiones pequeñas de una especie silvestre Líneas de introgresión RILs

56 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Líneas de introgresión Suponen una herramienta muy potente, ya que es un material de élite con introgresiones pequeñas de una especie silvestre

57 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Líneas de introgresión Suponen una herramienta muy potente, ya que es un material de élite con introgresiones pequeñas de una especie silvestre

58 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Líneas de introgresión Suponen una herramienta muy potente, ya que es un material de élite con introgresiones pequeñas de una especie silvestre X F1 X

59 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Reverse breeding Consiste en resintetizar parentales para obtener un híbrido Se basa en la transformación genética del híbrido con genes supresores de la recombinación Puede suponer una auténtica revolución en el campo de las casas de semillas, ya que elimina la patente física

60 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Breeding by design Consiste en diseñar el genotipo ideal y usar combinaciones de cruzamientos y selección asistida por marcadores para llegar a ese genotipo ideal

61 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura Terminator technology Es una tecnología para producir semilla (o polen) no viable

62 8. Algunas aplicaciones de las nuevas biotecnologías en agricultura -Supermachos (p.ej. Espárrago) -Patata diploide

63 9. Una visión futurista: la síntesis de genomas vegetales En 2010 se publicó el diseño, síntesis y ensamblaje artificial del genoma de Mycoplasma mycoides, el cual al ser insertado en una célula de M. capricolum, ha sido capaz de reproducirse y dar lugar al fenotipo de M. mycoides. Science (2010). Vol. 329:52-56

64 9. Una visión futurista: la síntesis de genomas vegetales Si los métodos utilizados para la síntesis, ensamblaje y transplante de cromosomas sintéticos descritos para Mycoplasma pueden ser generalizados, esto abre la puerta a la creación de cromosomas (o genomas de orgánulos) sintéticos, en los cuales se pueden combinar genes a voluntad del mejorador.

65 9. Una visión futurista: la síntesis de genomas vegetales Si los métodos utilizados para la síntesis, ensamblaje y transplante de cromosomas sintéticos descritos para Mycoplasma pueden ser generalizados, esto abre la puerta a la creación de cromosomas (o genomas de orgánulos) sintéticos, en los cuales se pueden combinar genes a voluntad del mejorador.