5.- La Mejora Genética Convencional de las Plantas que nos sirven de Alimento

Transcripción

1 5.- La Mejora Genética Convencional de las Plantas que nos sirven de Alimento Domesticación de plantas Objetivos de la agricultura Mejora genética convencional Tecnologías Variedades híbridas comerciales Pinceladas históricas

2 adaptación del cultivo de una planta a condiciones concretas Domesticación de Plantas ciclo reproductivo: controlado por la especie humana con fines económicos o nutricionales siembra y recolección cuando interesa cambios en la arquitectura de la planta: maíz y teosinte semillas que no se dispersan estructura del raquis en los cereales de flexible a rígido

3 Domesticación de Plantas semillas que germinan de manera uniforme adaptación al clima, al fotoperiodo, etc mecanismo de dormancia alterado control de la época del año para la siembra y crecimiento frutos y semillas de mayor tamaño frutos y semillas maduración uniforme recolección fácil en el mismo periodo de tiempo eliminación o reducción drástica de compuestos de defensa contra herbívoros (la mayoría son tóxicos para nosotros)

4 Domesticación de Plantas Lenser & Theissen, Trends in Plant Sciences, 2013

5 Domesticación de Plantas pérdida de propiedades para vivir en la naturaleza autónomamente y adquisición de propiedades para su cultivo simbiosis total con el ser humano: alimentación supervivencia en la naturaleza Selección artificial Realizada por la especie humana según sus fines concretos en cada momento de la historia

6 Domesticación de Plantas Las plantas naturales son criaturas darwinistas sin ningún deseo especial de que alguien se las coma, de modo que no pusieron todo su empeño en que nos resultaran sabrosas, sanas o fáciles de cultivar. Y para ello desarrollaron agentes irritantes, toxinas y componentes de sabor amargo. De modo que nada tienen de particularmente sano los alimentos naturales. S. Pinker, La Tabla Rasa, 2002

7 plantas domesticadas Domesticación de Plantas Pérdida de la capacidad de vivir y reproducirse por sí solas en la naturaleza No es posible cultivar sin que automáticamente se realicen cambios en la información hereditaria de la planta cultivada fortísima presión selectiva cambios se transmiten a la siguiente generación

8 OBJETIVOS DE LA AGRICULTURA desde siempre: respuesta al aumento de la población millones en millones en millones en 2011 se esperan > millones en 2050 la producción del cultivo con menor coste del tamaño (espiga, mazorca, grano, fruto) nº de granos (frutos) / planta prod. / área superficie cultivo en condiciones adversas superficie de cultivo insumos agrícolas hasta ahora así ha sido: podemos continuar haciéndolo?

9 OBJETIVOS DE LA AGRICULTURA actuales (además de los anteriores): respuesta a mejor nivel económico en la sociedad occidental calidad nutricional mejorar el sabor disponibilidad de todo tipo de alimentos todo el año en cualquier lugar: alimentos frescos, procesados tecnologías de cultivo en invernaderos en condiciones óptimas tecnologías de conservación, envasado transporte

10 Objetivos de la Agricultura agricultura: actividad humana más destructiva para el medio ambiente destrucción de ecosistemas naturales para cultivar las especies que nos sirven de alimento pérdida de biodiversidad vegetal y animal cuanto más primitiva es más destructiva utilización excesiva de fertilizantes, herbicidas, plaguicidas (Green y cols., Science, 307, , 2005)

11 Objetivos de la agricultura agricultura: producción de alimentos: en 1960: millones de habitantes, 900 millones pasaban hambre severa (30%) en 2014: millones de habitantes, 900 millones pasan hambre severa (12,8%) estadísticas de la FAO reducción del % de personas que pasan hambre: conocimientos científicos: genética, cultivo de tejidos, agronomía mejoras tecnológicas: productos agroquímicos, maquinaria agrícola, tecnologías de la información, etc.

12 Mejora Genética Convencional Selección de caracteres a lo largo de los siglos Cruzamientos mutaciones espontáneas; inducidas: irradiación (compuestos radioactivos), compuestos químicos Cultivos in vitro: variaciones somaclonales Modificación del nº de cromosomas Cruzamiento interespecífico con rescate del embrión Etc, etc

13 Cruzamiento técnica básica de mejora. para pasar las características de una planta A a otra B: planta A planta comercial mejorada planta B planta que lleva la característica que queremos introducir

14 Cruzamientos Plantas de la misma especie: Sin problemas, semillas fértiles Plantas de especies próximas Semillas parcialmente fértiles Plantas de especie relacionadas, distantes Semillas estériles Rescate del embrión seguido de cultivo in vitro Resto de las especies de seres vivos Cruzamiento imposible Sólo ingeniería genética García-Olmedo, "La Tercera Revolución Verde", pg. 48

15 Cruzamientos tradicionales Cruzamiento x + variedad 1 variedad genes cada una Híbrido 1 Híbrido genes mezclados al azar cortesía de la Profa. Dra. Carmen Fenoll

16 mutaciones Mutaciones cambio en la secuencia de bases del ADN espontáneas o inducidas anomalías cromosómicas mutaciones de gran magnitud puntuales: una, o pocas, bases mutaciones espontáneas ocurren en la naturaleza siempre se pueden acumular en la planta cómo surgen errores en la replicación fallos en los sistemas de reparación del ADN mutágenos presentes en la Naturaleza (radiación UV solar)

17 Mutaciones inducidas muy importante, muy utilizado acelerar el proceso de la naturaleza tratamientos con compuestos químicos mutagénicos mutágenos físicos radiaciones con fuentes radioactivas rayos γ radiación espacial: envío de semillas al espacio rayos láser > plantas/semillas para conseguir 1 mutante útil

18 Mutagénesis inducida por Irradiación rayos γ FAO-IAEA: mediados siglo XX base de datos: hoy: 3,.218 variedades diferentes "Useful mutants bred by radiation" New York Times, 28 agosto Nuclear Techniques for Food and Agriculture:

19 Algunos cultivos obtenidos por mutaciones inducidas Nombre de la variedad Método mutagénesis Arroz Calrose 76 rayos gamma trigo Above azida sódica Lewis neutrones térmicos Avena Alamo-X rayos X toronja Rio Red neutrones térmicos Star Ruby neutrones térmicos lechuga Ice Cube etil metasulfonato Mini-Green alubias Seafarer rayos X alubias Seaway rayos X sandía sin pepitas maíz resistente a herbicidas (Clearfield) colza doble bajo etil metasulfonato colchicina radiaciones radiaciones y cruzamientos

20 Selección de diferentes caracteres Plantas obtenidas de una única especie de Brassica oleracea Criterios de selección: P.H. Raven. Biology of Plants (7th ed.) hojas: kale (no se comercializa aquí) capullos laterales: coles de Bruselas flores y tronco: brécol tronco: kohlrabi (no se comercializa aquí) capullos terminales grandes: col ramilletes de flores: coliflor

21 Selección a lo largo de milenios teosinte maíz

22 Ejemplos de cultivos obtenidos por diferentes técnicas mutaciones: espontáneas cruzamiento y selección de caracteres diferentes irradiación: compuestos radioactivos

23 Ejemplos de cultivos obtenidos por diferentes técnicas hibridación interespecífica forzada rescate del embrión triticale cultivos in vitro: plátanos Injertos: tejidos de plantas diferentes

24 Ejemplos de cultivos obtenidos por diferentes técnicas Variedad "All Red potato" (a la izda.), obtenida por Robert Lobitz en El interior es rosáceo, incluso después de cocerla, a diferencia de la patata de piel roja (más frecuente; a la dcha) que es blanco-amarillenta por dentro variedad "Blue potato" Variedades de patatas obtenidas por procedimientos convencionales (aunque no dice cuáles). Citado en Mendel in the Kitchen, pg. 1

25 Ejemplos de cultivos obtenidos por diferentes técnicas Coliflores amarilla (izda) y naranja (dcha), variedades Cheddar, con beta-carotenos. Resultado de una mutación espontánea aparecida a mediados del siglo XX. Coliflores variedad "Graffiti", ricas en antocianinas. Citadas en Mendel in the Kitchen, pg. 1

26 Ejemplos de cultivos obtenidos por diferentes técnicas Ejemplos de hortalizas procedentes de semillas enviadas al espacio en el experimento chino Shijian-8. Más imágenes en Google Imágenes poniendo "Shijian-8 y space vegetables

27 Cómo serían hoy algunas plantas comestibles si no las hubiéramos modificado genéticamente a lo largo de milenios /06/19/how-your-food-would-look-ifnot-genetically-modified-overmillennia/

28 Toda mejora genética ES manipulación génica todas las técnicas utilizadas para mejorar los cultivos implican cambios en el genoma de la planta salvo algunos cambios espontáneos, todas se realizan en el laboratorio de manera NO NATURAL. pueden añadir características beneficiosas o eliminar negativas Introducción a la Mejora Genética Vegetal (3ªed), JI Cubero, 2013 soja cultivada y soja silvestre: 425 genes que no aparecen en la silvestre mutaciones que afectan a 856 genes Joshi et al., BMC Genomics 14(Suppl 1), S5, 2013 Lam et al., Nature Genetics 42, 1053, 2010

29 Toda mejora genética ES manipulación génica modificaciones génicas introducidas por diferentes métodos y tecnologías "Safety of Genetically Engineered foods", Inst. Medicine and Natl Research Council. National Academy Press, 2004, pg. 64

30 Variedades Híbridas Obtenidas por primera vez en 1930s Todas las plantas de las semillas híbridas son muy homogéneas Híbridos comerciales Características predecibles Uniforme en toda la parcela En todos los tipos de cultivos Guardar la semilla para la siguiente temporada La semilla de una planta híbrida: Pérdida de la uniformidad del cultivo

31 Pinceladas históricas 1ª Revolución Verde: invención de la agricultura Neolítico mejora intuitiva: hasta 1,700 DC mutaciones espontáneas cruzamientos espontáneos, no dirigidos selección de los mejores individuos de cada cosecha razas locales: gran heterogeneidad genética bajorrelieve asirio (870 AC) que muestra la polinización artificial de palmeras datileras

32 Centros de Origen 1: algodón 2: arroz 2a: plátano 3: zanahoria 4: trigo 5: remolacha 6: café 7: maíz 8: patata 8a: fresas 8b: cacao

33 origen independiente de los cultivos tradicionales tomado de M. Balter, "Seeking agriculture's ancient roots". Science 316, , 2007

34 Pinceladas históricas mejora científica: S. XVIII hasta mediados del S. XX se conoce que las plantas tienen sexo cruzamientos dirigidos (Leyes de Mendel: redescubiertas a primeros del S. XX). mutaciones espontáneas variabilidad genética: especies relacionadas mejora genética: 2ª mitad del S. XX aplicación de las leyes de Mendel: cruzamientos dirigidos con conocimiento (2ª) Revolución Verde genes del enanismo en cereales - Norman Borlaug modificación de la síntesis de hormonas de crecimiento (descubierto recientemente) mecanización del cultivo de cereales (sobre todo) productos fitosanitarios: fertilizantes, pesticidas, herbicidas

35 La Revolución Verde (más o menos) Norman Borlaug ( ) Premio Nobel de la Paz 1970 se calcula que salvó más de 100 millones de personas de morir de hambre

36 Pinceladas Históricas mejora genética (cont.) mutaciones espontáneas e inducidas modificación nº de cromosomas variabilidad genética: especies no relacionadas cultivo de embriones y de tejidos salto de la barrera de la especie mejora biotecnológica: a partir de 1980 modificación específica de genes concretos introducción de genes de especies no relacionadas utilización de técnicas de biología molecular e ingeniería genética 3ª Revolución Verde

37 LIMITACIONES DE LA MEJORA CONVENCIONAL mejora convencional todas las tecnologías que no son la transgénica imposibilidad de manipulación dirigida del ADN imposibilidad de evitar la cotransferencia de genes ligados al gen de interés características fenotípicas no deseadas (pleiotropismos) largos periodos de tiempo para: incorporar gen(es) de interés eliminando los responsables de pleiotropismos obtención final de variedades comerciales

38 La mejora genética de plantas como actividad comercial Finales s. XVIII, comienzos del xs. XIX Necesidad de semillas para los imperios coloniales Algunos agricultores empiezan a vender semillas en vez de intercambiarlas Actividad comercial diferenciada del cultivo Mediados s.xix: nombre para las mejores semillas Vilmorin empresa familiar de mejora de semillas desde finales del s. XVIII Mejora genética: actividad altamente especializada Empresas multinacionales

39 Algunas Referencias De espías, mutantes y poliploides: Breve historia de los cultivos Dr. Gabriel León: J.I. Cubero: Introducción a la mejora genética vegetal. 3ª ed. Ediciones MundiPrensa, F. Carcía-Olmedo: El ingenio y el hambre de la revolución agrícola a la transgénica. Crítica, 2009 JH. Reichholf: La invención de la agricultura porqué el hombre se hizo sedentario. Crítica, N.Kingsbury: Hybrid the history & science of plant breeding. Univ. Chicago Press, 2009.