La genómica y la biodiversidad

CIBIOGEM Octubre 2015

Proyecto “La variación genética de las plantas cultivadas en México: estrategias

para enfrentar el cambio climático” dentro del programa Agrobiodiversidad de la

CONABIO

Daniel Piñero, CONABIO

CONABIO: Misión

• “Promover, coordinar, apoyar y realizar actividades dirigidas al conocimiento de la diversidad biológica, así como a su conservación y uso sustentable, para beneficio de la sociedad.”

CONABIO: Objetivos

• a) “contribuya significativamente a la toma de decisiones y establecimiento de políticas para conservar la biodiversidad y usarla sustentablemente, con la aportación de datos, información y conocimiento sobre ella;

• b) sea innovadora y de vanguardia en cuanto a informática de la biodiversidad, procesos eficientes y calidad de sus productos y servicios;

• c) sea el referente obligado en materia de biodiversidad en México.”

CONABIO: Mandato legal

• Artículo 80 Fracción V de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente

“un sistema de información sobre biodiversidad y de certificación de uso sustentable de los componentes de la biodiversidad”

Esto es, de los ecosistemas, las especies y los genes

“un sistema de información sobre biodiversidad y de certificación de uso sustentable de los componentes de

la biodiversidad”

• Inducir la obtención y crear un sistema de información acerca de los genomas asociadosa la biodiversidad

• Generar criterios para tener prácticas de usosustentable de los sistemas genómicos

“un sistema de información sobre biodiversidad y de certificación de uso sustentable de los componentes de

la biodiversidad”

• Se reconoció que a diferencia de lascolecciones, la información genómica no se ha estudiado mas que en una pequeña parte

• Requerimos entonces un sistema piloto queasemeje los inicios de las bases de datos de especies

“un sistema de información sobre biodiversidad y de certificación de uso sustentable de los componentes de

la biodiversidad”

• Un área extremadamente abandonada y que ha estado a cambios de política nacional que no la han ayudado es aquella relacionada con la agrobiodiversidad

• Se contempla, entonces abordar la problemáticadel mejoramiento usando como una herramientaa la genómica y

• aprovechando el conocimiento generado en la CONABIO acerca del uso tradicional y en pequeñaescala de la biodiversidad

Componentes del Programa de Agrobiodiversidad

• Componente genómico a través de los gruposde investigación que trabajan en México

• Componente socioeconómico aprovechandola investigación que se ha hecho en México y el conocimiento de la CONABIO acerca del usotradicional y en pequeña escala de la biodiversidad

Programa de Agrobiodiversidad, CONABIO

Alicia Mastretta Yanes

Margarita Campos

Francisca Acevedo Gasman

Componentes del programa genómico

• Obtención y acumulación de informacióngenómica en un banco de datos público

• Genómica funcional

• Genómica funcional comparada

• Relación fenotipo-genotipo, enfoquescomplementarios y alternativos

• Mejoramiento participativo evolutivo

Centros de origen, la genética es solo una parte: el caso del chile, Capsicum annuum

2014

Domesticación, mejoramiento e introgresión en un mosaico genómico: el caso del girasol Helianthus

annuus

2015

Estudio de los genes asociados a la domesticación y al mejoramiento (y a la

adaptación local) de manera independiente

Fuente: Proyecto Global de

Maíces

Cónico Norteño

Chalqueño

Dulce

Palomero

Toluqueño

Arrocillo Amarillo

Cacahuacintle

Bolita

Tabloncillo

Jala

CelayaTehua

Zapalote Chico

Comiteco

Nal-tel

Cónico

Tuxpeño

Vandeño

Olotillo

Olotón

Tuxpeño

AzulApachitoGordo

Chapalote

Problema disciplinariamente amplio: el caso de los datos geográficos

Geográficos• Dominios climáticos por

cultivo

• Mapas

• Localidades

Evidencia de adaptación a la altitud en maiz

47,593 SNPs, 178 individuos, 51 razas,

5 hibridos 159 localidades

genetic

a

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1 2 3

altitud

1

2

3

Admixture: prueba de asignación entre

tres distintas altitudes (0-900,

900-1800 y 1800-2700 msnm)

Y un poco a la latitud

47,204 SNPs, 165 individuos,

48 razas, 159 localidades Arteaga et al. En preparación

¿Cómo agrupar a las razas Mexicanas de maíz?

47,593 SNPs, 178 individuos,

51 razas,

5 hibridos, 159 localidades,

dos teocintles (flechas)

Arteaga et al. En preparación

La variación del maiz en el contexto de la encontrada en los teosintles del centro de

México

Moreno-Letelier et al. En preparación

La diversidad genética conocida, un océano con pequeños lagos

Diagrama de Venn que muestra familias de genes únicas y compartidas en tres

monocotiledóneas (arroz, maíz y sorgo) y una dicotiledónea (Arabidopsis)

Patrick S. Schnable et al. Science 2009;326:1112-1115

Los genomas son redundantes

Los genomas son redundantes…2

2013

Los genomas son redundantes…3. Predicción de genes usando homología de fenotipos

Los genomas son redundantes…4. Homología de redes genéticas de regulación

Diagrama de Venn que muestra familias de genes únicas y compartidas en tres

monocotiledóneas (arroz, maíz y sorgo) y una dicotiledónea (Arabidopsis)

Patrick S. Schnable et al. Science 2009;326:1112-1115

Funciones compartidas, variantes únicas

Funciones compartidas, variantes únicas…2: el caso de la tapioca Manihot esculenta, selección en el flujo de carbono

2014

Múltiples rearreglos cromosómicos y microsintenia en cucurbitaceas (melón, pepino y sandía)

2009

La domesticación en el maíz

Genes neutrales Genes de domesticación Genes de mejoramiento Genes adaptativos

Teosintles

Razas

Lineas puras

Domesticación

Mejoramiento

Ad

aptació

n A

Ad

aptació

n B

Ad

aptació

n C

Modificado de Yamasaki et al. 2007

La domesticación, el mejoramiento y la evolución del maíz en el campo mexicano

Genes neutrales Genes de domesticación Genes de mejoramiento Genes adaptativos

Teosintles

Razas

Lineas puras

Domesticación

Mejoramiento

Ad

aptació

n A

Ad

aptació

n B

Ad

aptació

n C

Modificado de Yamasaki et al. 2007

Detección genómica de selección

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Razas Teosinte

He

tero

cigo

sis

Genes metabólicosAnálisis genómico globalCromosoma 1Verde = teosinteRojo = Razas

0.36

0.38

0.4

0.42

0.44

0.46

Razas Teosinte

NeutrosFukunaga et al. 2005

Doebley 1989

El genoma es un mosaico con distintas tasas de evolución y divergencia

Hufford et al. 2012

82%

87%

81%

El genoma es un mosaico con distintas tasas de evolución y divergencia…2

Yamasaki et al. 2005

La nueva variación es mas abundante en las razas que en los teosintles y cambia el amino

ácido de la proteína

Hufford et al. 2012

Variación muy parecida entre

los teosintles anuales

10,000 SNPs aleatorios18 poblaciones de parviglumis10 poblaciones de mexicanapopulations

Aguirre-Ligouri et al. En preparación

No hay una clara agrupación genómica de las razas mexicanas de maíz

47,204 SNPs, 165 individuos,

48 razas, 159 localidades

Arteaga et al. En preparación

No hay una clara agrupación genómica asociada a las regiones biogeográficas

47,204 SNPs, 165 individuos,

48 razas, 159 localidades Arteaga et al. En preparación

Conclusiones maiz

1. En los últimos diez años se ha avanzado enormemente en el entendimiento de la naturaleza de la variación genómica de las agrupaciones geográficas y de los grupos morfológicos en maíz.

2. Con el conocimiento actual, se deben de establecer programas de monitoreo de los distintos tipos de variación genómica in situ en el maíz y los teosintles.

3. Asimismo se deben de establecer programas que evalúen la importancia funcional de las variantes existentes in situ usando un enfoque comparativo que incluya también a otras especies de plantas cultivadas.

La domesticación, el mejoramiento y la evolución del maíz en el campo mexicano

Genes neutrales Genes de domesticación Genes de mejoramiento Genes adaptativos

Teosintles

Razas

Lineas puras

Domesticación

Mejoramiento

Ad

aptació

n A

Ad

aptació

n B

Ad

aptació

n C

Resultado inesperado, mas variación un poco menor en maíz que en teosintle debido al mayor número total de nuevos mutantes por el tamaño total de la población sembrada

La domesticación y los cuellos de botella

Karlsson & Lindblad-Toh, 2008

Arroz domesticado aproximadamente 30% de la variación del silvestreCaicedo et al, 2007

Soya domesticada entre 60-70% de la variación de la silvestreLam et al. 2010

La domesticación y los cuellos de botella, el caso del frijol, Phaseolus vulgaris

2014

La variación aditiva usando datos genómicos es (mucho) menor que aquella obtenida de estudios de respuesta a la selección o

correlación entre parientes

Common disease-common variant (CDCV)

El ambiente microbiómico: un aspectocentral de la agrobiodiversidad

2014

Componentes del programa genómico

• Obtención y acumulación de informacióngenómica en un banco de datos público

• Genómica funcional

• Genómica funcional comparada

• Relación fenotipo-genotipo, enfoquescomplementarios y alternativos

• Mejoramiento participativo evolutivo

Ejes del proyecto

Proyecto CONACYTDesarrollo científico para la solución de

problemas nacionales

Instituciones participantes

Actividades del proyecto

Gracias

Phaseolus coccineusSilvestre, Hutizilac, Morelos

Phaseolus coccineusSilvestre, Xalapa, Veracruz