Importancia de la Biotecnología, los cultivos transgénicos y los recursos hídricos en la producción nacional

Conferencia en Proyecto Sub-sectorial de Irrigación

29 abril 2008

Problemas que afectan a la humanidad

1.Crecimiento de la población

2.Dificultades con abastecimiento de alimentos, hambruna y desnutrición

3.Depresión económica causada por el crecimiento de la demanda de combustibles fósiles y sus altos precios

4.Cambio climático fijo en su ruta: aparente o real

5.Disponibilidad de tierras y del recurso hídrico

Crecimiento mundial de la población

Problemática de la alimentación

• Para abastecer la demanda de alimentos al año 2025 el rendimiento promedio de cereales debe subir 80% sobre el nivel de 1990 (Norman Borlaug, Premio Nobel)

• El crecimiento anterior debe realizarse en los complejos sistemas de pequeños agricultores en los países más pobres.

• El crecimiento deberá venir de intensificación agrícola en tierras existentes.

Globalización, comercio internacional y desarrollo

• La globalización económica es un hecho irreversible.

• Los países, aún los mas grandes, son interdependientes en demanda de productos y servicios.

• El crecimiento del comercio es factor crítico del desarrollo económico.

• Existe una carrera de expansión del comercio e incremento de la competitividad.

• Ante el fracaso de la ronda de Doha de la OMC los acuerdos bilaterales favorecen el comercio.

APEC: un futuro arco y acuerdo comercial

La demanda de seguridad alimentaria y de transporte

• El mundo deberá producir 40% mas de alimentos para el año 2020.

• El mundo consumirá en los próximos 50 años el doble de la suma de los alimentos consumidos durante los últimos 10,000 años.

• Esta hazaña tendrá que realizarse ante recursos de aguas y tierras en disminución, evitando la tala y quema de bosques y de zonas reservadas de preservación de la biodiversidad natural y dejando además,capacidad de producción a áreas para biocombustibles.

Soluciones Integradas

1. AGRONOMICA

2. GENETICA

1. Convencional

2. Biotecnología e Ingeniería Genética

3. MANEJO DE RECURSOS HIDRICOS

4. MANEJO DE RECURSOS ECONOMICOS

5. ORGANIZACIÓN Y CAPACITACION DE LOS AGRICULTORES

6. SEGURIDAD DE MERCADOS Y SU APERTURA

7. ACCESO AL CREDITO

8. INCENTIVOS A LA INVERSION PRIVADA

9. POLITICA DE ESTADO FIRME, CONTINUA E INVARIABLE

Incremento de la producción de trigo y leche por la Revolución Verde en la India

Los que abogan por la agricultura sostenible y orgánica desean volver a los sistemas en uso hace mas de 60 años en Europa y Estados Unidos.¿Pero alcanzarán a alimentar al mundo en crecimiento acelerado de población?

Recursos de tierras arables

• Hay 3,134 millones de hectáreas de tierras arables con una perdida anual de 0.03% a nivel mundial.

• En el 2006 el área por habitante fue de 0.47 hectáreas.

• En el 2039 el área por habitante será de 0.24 hectáreas.

Cambios esperados en la Agricultura Global según proyecciones de calentamiento global

Cambio de cultivos en Australia debido a la sequía

Represamiento:49,000 grandes presas en el mundo,20,000 de ellas en China

Sistemas de riego

Goteo: economía de agua de riego

Países donde podría generarse conflicto por el agua

• Cuenca del Nilo: Egipto-Sudán-Etiopía• Cuenca del Eufrates: Turquía-Siria-Irak• Cuenca del Jordán: Siria-Israel- Jordán –

Autoridad Palestina• Cuenca del Colorado: México-EE.UU.• Cuenca del L. Titicaca: Bolivia-Chile-Perú

1 tonelada de agua

1 toneladade grano

Uso del agua para agricultura: 70%

Uso del agua para la industria

Uso del agua para el consumo humano

Usos del Agua

Coordinación en la gestión del agua en el Perú

• Proyecciones de demanda hídrica en función de modelos de cambio climático (CO2, precipitación, temperaturas)

• Planes y Acciones en Cuencas, Subcuencas, Acuiferos, Transvases y Desalinización

• Ordenamiento y cambio de cultivos• Introducción de cultivos de baja demanda de agua• Centralización del manejo del agua en el MINAG con

coordinaciones transversales en otros Ministerios y Gobiernos Regionales

• Comisión nacional para el manejo sostenible de los recursos hídricos para diversos usos

Biotecnología: desarrollo del término

U.S. Congress Office ofTechnology Assessment OTA

1984

Cualquier técnica o conjunto de técnicas que utilizan organismos vivos o sus

partes para obtener o modificar productos, para mejorar plantas o

animales o para desarrollar microorganismos con usos específicos

Biotecnología tradicional y biotecnología moderna

• Biotecnología tradicional

• Empleo de organismos completos no transformados para derivar un producto útil

• Biotecnología moderna• Utilización de la

ingeniería genética derivando ADN recombinante para obtener productos útiles

• Aplicaciones útiles en:

• Salud (terapias, kits de diagnósticos, medicinas recombinantes, productos naturales potenciados)

• Agricultura y Ganadería• Acuicultura• Industria• Minería• Biorremediación

Los organismos genéticamentemodificados o transgénicos

• Organismo genéticamente modificado (OGM) esaquella planta, animal, hongo o bacteria a la quese le ha agregado o suprimido por ingenieríagenética, uno o unos pocos genes con el fin de producir proteínas u ótras moléculas orgánicasde interés biomédico, agropecuario, industrial u otro, o bien para mejorar ciertos rasgos, como la resistencia a plagas, la calidad nutricional de alimentos, la tolerancia de plantas a heladas y sequías, entre otras características.

Procedimiento para insertar un gen extraño en una planta mediante

Agrobacterium tumefaciens

Cultivo de raíces para formar masas no diferenciadas de celulas

Células se han disociado en cultivo líquido

Cultivo inoculado con bacterias que llevan el plasmidio T alteradoPlanta adulta susceptible a

herbicidas

Herbicida añadido para seleccionar a células con ADN extraño

Rediferenciación de células y de embriones seleccionados

Embrión crece y forma planta

Planta adulta tolerante a herbicidas

Esquema de formación de una planta transgénica

Desarrollo de plantas transgénicas de soya resistente a la inundación y a la sequía. Arriba; construcción de un gen TPSP (trehalose phosphate synthasefusion) a ser transferido de con un promotor inductor de estress (ABRC) y un

terminador. Abajo fotos: arr.izq. Callos transformados; der, planta de soya transformada; ab. Izq. Planta de generación T1,

Universidades de Illinois y Missouri colaborando en este proyecto

Las nuevas variedades transgénicas vienen con hasta tres genes apilados de un máximo de cinco. Con la nueva tecnología MMC se podrán insertar hasta

10 nuevos genes apilados en un cromosoma artificial

Genes apilados: se pueden apilar hasta 5 con la tecnología actual; ej: tolerancia a herbicidas, resistencia a insectos, etc .

Centrosoma artificial con hasta 10 genes apilados con la nueva tecnología MMC

Los organismos genéticamente modificados incluyen uno o mas genes de procedencia de otras especies que se insertan en su genoma y en él siguen replicándose tal como lo hacían en la especie de la que proceden

La producción de proteínas u otra moléculas codificadas por los genes, se realiza en las células de la nueva especie tal cual se realizaba en la especie de procedencia

LA INGENIERÍA GENÉTICA ES UNA CONTINUACIÓN DEL MEJORAMIENTO GENÉTICO CONVENCIONAL

En el mejoramiento genético convencional se transfieren genes entre variedades de la misma especie, ocasionalmente entre especies del mismo género y raramente entre especies de diferentes géneros.

Por medio de la ingeniería genética se logra hoy lo que antes era imposible, transferir genes entre diferentes familias de plantas, o de bacterias o hongos a plantas.

En buena cuenta la ingeniería genética es una continuación del mejoramiento genético convencional. Las estructuras comunes estaban presentes pero faltaban los métodos

Aplicaciones en mejoramiento de plantas

• Aumento de la productividad y calidad de los cultivos. • Resistencia a enfermedades y plagas. • Tolerancia a herbicidas, sequía, salinidad y temperaturas extremas. • Alimentos más nutritivos, como frutas y cereales con mayor contenido de vitaminas.• Vacunas comestibles, como bananas que contengan la vacuna contra la hepatitis B.• Alimentos más saludables, como aceites con menor contenido de ácidosgrasos indeseables, papas que absorban menos aceite, frutas con másantioxidantes y maní libre de alérgenos. • Producción de fármacos, bio-combustibles y plásticos biodegradables.

GENOMA DE LA PAPAYA REVELADO

Científicos de EE.UU. y China han revelado 90% del genoma de la papaya transgénica SunUP, incluyendo la inserción de ADN que hace que papayas transgénicas sean resistentes al virus anillado que interfiere con el sistema fotosintético de la planta.

Estudios de biología molecular permiten determinar rutas de evolución.-El análisis de proteínas de un hueso del dinosaurio Tyranosaurus rex,

excavado en el año 2003 en Montana, Estados Unidos, confirma que tiene mas relación de parentesco con aves del grupo de los avestruces y otras aves

que con cualquier otro grupo de vertebrados.

Las plantas cultivadas han pasado por domesticación y modificación humana a través de muchos siglos. Lo que es

“natural” hoy no lo fue antes.

Teosinte Maíz primitivo Maíz actual

Maíz transgénicoA la izquierda transgénico Bt. A la derecha el tipo normal.

Se ha introducido al maíz el gen Bt en sus formas Cr1Ab, Cry1Ac, Cry1F para controlar insectos lepidópteros de la planta y la mazorca y Cry3, para controlar gusanos de tierra. Además se han introducido genes para dar tolerancia a herbicidas de amplio espectro como glifosato, glufosinato o bromoxinilo.

Soya transgénica con alto tenor de ácido oleico

• Se han desarrollado las líneas de soya G94-1, G94-19 y G168, en las que mediante la inserción de una segunda copia del gen fad2, se produce el silenciamiento genético y apagado del gen,lo que bloquea la síntesis de ácidos grasos poli-no-saturados e incrementael tenor de ácido oleico

Resistencia en algodón transgénico a insectos perforadores de la bellota

izq. Bellotas de planta susceptible; der. Bellota de Planta GMresistente producto del uso del gen cry1ac en construcción patentada

Manejo de cultivos sin aradura con rastrojo superficial contra la erosión basado en plantas transgénicastolerantes a herbicidas de espectro amplio de control

Un campo de soya transgénica en Campo Grande, Brasil

Los caracteres químicos de una especie pueden ser trasladados a otra especie.

La gran producción de ácido ascórbico en Camu Camu, podría ser transferida a especies que ya tienen aceptación de consumidore s, como cítricos, mango o uvas para mejorar su calidad nutritiva o a bacter ias o levaduras para producción industrial de vitamina C.

El Plan Nacional de Biotecnología

Objetivos, Alcances y Contenido

La Biotecnología aparece en diez de las políticas del Acuerdo Nacional de

Gobernabilidad del Perú

Objetivo General del Plan

• Definir una política de estado soberana, estable y continua con el fin de insertar al Perú en forma competitiva en el mercado de organismos normales y genéticamente modificados y de sus productos derivados, sean estos de origen nacional o extranjero

• Desarrollar un sistema nacional de I&D en biotecnología para coordinar las instituciones, estimular las inversiones e incrementar la competitividad empresarial en el Perú.

Ministerio de Agricultura

Ministerio de la Producción

Ministerio de Salud

Ministerio de Comercio

Ministerio de Economía

Ministerio de RR. EE.

Ministerio de Energía y Minas

Política de Biotecnología y de Bioseguridad

CONCYTEC

CONEBIO Conasebioseguridad

Consejo de Ministros

CONAM

Agencias Reguladoras (OSCs) de Bioseguridad por Sectores

Decisión de Políticas

Coordinación y Ejecución

Protocolo de Bioseguridad

Ley de promoción de la biotecnología moderna

• Proyecto de ley presentado al Congreso y aprobado el 11 de julio 2006 no fue rubricado por el Ejecutivo.

• El proyecto de ley se encuentra en proceso de revisión y para ser aprobado por el nuevo congreso.

• Su objetivo es promocionar las inversiones y formalizar un sistema de administración de la biotecnología en el Perú.

Protección intelectual

• Acuerdo para reconocimiento de patentes en biotecnología. Incluye productos farmacéuticos y biofarmacéuticos.

• Decisión 391 de reconocimiento de propiedad de conocimientos tradicionales queda a decisión de agentes privados caso por caso.

Centro Nacional de Biotecnología Agropecuaria y Forestal

• Centro de alta tecnología preparado para investigación en genómica, uso de marcadores moleculares, ingeniería genética, síntesis de nucleótidos y péptidos, cultivos de células y tejidos y micropropagación y bioinformática.

• Preparado para brindar servicios, apoyo y asesoría al sector privado, a universidades e instituciones de investigación y desarrollo tanto públicas como privadas con equipamiento moderno y de muy alto flujo de análisis.

Centro Nacional de Biotecnología Agropecuaria y Forestal

• Operación a modo de Fundación público-privada con subsidio inicial operativo de US$ 2.5 millones anuales y capaz de desarrollo de patentes y cobro por servicios para poder alcanzar auto-suficiencia operativa y autonomía económica.

• Financiamiento inicial con 20% como aporte del estado y 80% con crédito de una institución internacional a largo plazo.

• Instalación en el INIA, La Molina.• Apoyo al desarrollo de recursos humanos en

biotecnología en colegios de graduados en el Perú.

Capacidades del Centro Nacional de Biotecnología e Ingeniería Genética

Núcleo básico de servicios comunesPlataforma de servicios agrarios y forestalesPlataforma de servicios en acuicultura, salud, industria, minería y en la exploración de la biodiversidad

El CNBIG se concibe como el centro operativo del sistema de redes de investigación, desarrollo y apoyo a instituciones públicas

y empresas y asociaciones privadas

El Instituto de Biodiseños, Phoenix, Arizona. Vista artística

del Instituto con sus 4 fases completas.

El Instituto de Biodiseños, Phoenix, Arizona

La biotecnología aplicada a resolver problemas de producción, post-cosecha y mercadeo del mango permitirá seguir siendo competitivo al Perú

1. Floración segura

2. Ampliación de ventana

3. Maduración mas lenta

4. Color de fruto

5. Resistencia a mosca de la fruta

6. Resistencia a Antracnosis y a

otras enfermedades

7. Frutas de tamaño parejo

PROBLEMAS POR SOLUCIONAR

El desarrollo de hatos de paco-vicuñas genéticamente estables mediante biotecnología moderna es un objetivo

importante del Plan Nacional de Biotecnología

Vicuñas en Pampa Galera

Investigación y Desarrollo en Acuicultura

• Posibilidad de desarrollo de salmón de Sierra transgénico por inserción de genes de salmón en trucha

• Inserción de genes para mayor velocidad de crecimiento

Incremento de tasa de crecimiento en trucha o en peces y moluscos confinados mediante inserción de genes que codifican la hormona de crecimiento

El aprovechamiento de la biodiversidad del Perú mediante la biotecnología

El Perú puede llegar a producir mediante sorgo híbrido azucarado unos 20,000 litros de etanol por hectárea/año o con caña de azúcar unos 7,000 litros por hectárea/año contra 450 litros/ha con maíz en EE.UU. utilizando solo 3000 m3 por cosecha de 90 TM/Ha de biomasa

ETANOL EN EL PERÚ

La sequía es la segunda causa, después de la baja fertilidad del suelo – no corregida – de la disminución de rendimientos de los cultivos en el mundo. Un 15 % de la pérdida de rendimiento de los cultivos se atribuye a la sequía.

Estrategias para el desarrollo de variedades con altos rendimientos de grano bajo condiciones de sequía

Plantas con fotosíntesis C4

Eficiencia transpiratoria

Conductancia en los estomas

Plantas con genes “stay green”

Alta fotosíntesis en falta de agua

Genes de acción morfológica

Modificaciones de rutas metabólicas

Plantas resistentes a la sequía

GenómicaComparativa

Expresión molecular

Análisis bioquímico Fisiología Morfología

Mutagénesis

Mapeo de QTLsGenes candidatos

Posicionar genes candidatos

Examinar diferentes razas para fenotipo y genes candidatos

Ensayos evolucionarios

Identificar genes con efectos fenotípicos

Mover alelos a líneas elite Evaluar efectos fenotípicos

Desarrollo de un esquema de desarrollo de genes con resistencia a sequía en maíz. Modelo adoptado por el USDA.

Contribuciones del Dr. Michael E. Fromm

El Dr. Michael E. Fromm durante su estadía en MONSANTO (1990-1997) fue el mayor responsable del desarrollo del producto Yield Gard basado en transformación con los genes Bt para resistencia a insectos. Ha sido recientemente reconocido por su importante contribución al desarrollo de la agricultura y la biotecnología moderna.

Actualmente es Director del Centro de Biotecnología en la Universidad de Nebraska y trabaja activamente en buscar resistencia a sequía y salinidad en plantas mediante el estudio de rutas metabólicas que condicionan la respuesta al estrés. Identifica kinasas y fosfatasas proteicas que interaccionan en las rutas metabólicas. Las confirma con knockout de genes usando RNAis.

Es Director no Ejecutivo de la firma FutureGene

AD

N –

Gen

es q

ue c

odifi

can

kina

sas

prot

eica

s –

2300

en

arr

oz /c

erea

les

Efecto ambiental

Sequía/Calor

K3

K5

K8

Activación de kinasas específicas en respuesta al estimulo ambiental y efectos metabólicos siguientes

El efecto de ABA- ácido abscícico es el de regular el balance de agua mediante las células guardianes de los estomas y de regular la tolerancia osmótica al estrés via genes reguladores de la tolerancia a la deshidratación. ABA es también inducido por salinidad y por frío.

Estrés causado por sequía

Las células epidérmicas tienen una cutícula cerosa que disminuye la evaporación. La pérdida de agua por los estomas es conocida como transpiración. Cuando la planta está en déficit de agua los estomas se cierran y la transpiración disminuye, pero también la fotosíntesis. Plantas xerofíticas pueden mantener abiertos los estomas por más tiempo.

Las pérdidas de agua ocurren a través de los estoma s

Selección para alta conductividad en estomas

• En algodón Pima y en trigo duro la selección para altos rendimientos bajo condiciones de calor ha resultado en respuesta heredable de alta conductancia en los estomas a altas temperaturas independientemente de respuestas a altos niveles de fotosíntesis.

• El efecto es el enfriamiento evaporativo de las hojas.

• La selección para alta conductancia de estomas puede ser un criterio para obtener altos rendimientos en cultivos irrigados en medios con temperaturas muy altas.

Campo de selección para híbridos de maíz resistentes a la sequía y que aparecerán en cultivo en los próximos años

Resistencia genética a la sequía en plantas transformadas

Diversas rutas metabólicas conducen a resistencia a la sequía.

Participación de la fitohormona ácido abscícico

Control de apertura de los estomas

Adaptaciones metabólicas y morfológicas

Desarrollo de cultivos transgénicos en SudafricaIzquierda: caña de azúcar resistente al herbicida glufosinato (T) y convencional susceptible (C).

Derecha: tabaco resistente a sequía (T) y susceptible convencional (C).

Las variedades de algodón Pima lanzadas en Arizona desde 1949 a 1996 siguen la serie progresiva desde PS-1 a PS-7. Rendimiento promedio de PS-7 alcanza a 25 qq/ha de fibra en solo 6 meses.

1 2

1- Pelos radiculares ayudan a absorber agua y nutrientes

2- Aradura profunda (a la izquierda) vs. aradura normal y su efecto sobre el crecimiento y volúmen de raíces de sorgo.

El gen DREB1A agrega resistencia a la sequía a las plantas de maní a la derecha

Cultivares de sorgo “stay green” y normal, izq. y der., respectivamente

El sorgo granífero es un cultivo de baja demanda hídrica. Es el mas rendidor en ingreso neto por metro cúbico de agua usada por día.

Absorción de nutrientes en un cultivo de sorgo granífero determina el sistema de manejo

En líneas de sorgo la presencia de cera epicuticular tiene un efecto marcado sobre la alta eficiencia en el uso de agua.

La eficiencia en el uso de agua varía linearmente en sorgo con la carga de cera cuticular bajo irrigación (r = 0.72) y bajo condiciones no irrigadas (r= 0.94).Premahandra et al 1993, Purdue University.

Hoja normal con cera Hoja mutante sin cera

Cera epicuticular en hojas de sorgo

Partición de los efectos del estrés al calor sobre el rendimiento (Fischer y Maurer 1978):

Y = Yp (1 –S x D)

Yp= potencial de rendimiento

S = sensibilidad al estrés

D = medida del estrés; D = (1- X/Xp)

X y Xp son rendimientos del cultivar bajo condiciones óptimas y de estrés.

de donde

S = (1- Y/Yp)/D = (Yp-Y)/ (Yp x D)

De modo que S es una funcion de la reduccion de rendimiento debido al calorsobre el rendimiento potencial. Es preferible tener un valor de S bajo.

A veces los cultivares con bajo S tienen también un bajo Y, lo que no los haceútiles para selección (caso de la raza guineensis de sorgo).

Conclusiones

• Es de interés de la sociedad peruana, del Estado y del Sector Privado apoyar el desarrollo de la biotecnología moderna en el Perú para incrementar la competitividad y el bienestar de los peruanos.

• Es de interés del Perú aprovechar su biodiversidad mediante la herramienta de la ingeniería genética.

• La bioseguridad en el proceso de desarrollo de la biotecnología moderna estará presente y ya se han tomado los pasos necesarios para hacerlo, capacitando al Perú antes que a otros países en el uso del BCH del Protocolo de Cartagena y firmando un convenio con Israel para apoyo en Biotecnología y Bioinformática a través de CONCYTEC para capacitación.

La biotecnología agrícola ha despertado un debate de una estridencia y vigor raramente vistos antes, aún por los estándares de controversias habidas sobre otras innovaciones tecnológicas. La intensidad y el tono confrontacional del debate pueden ser trazados a una nueva clase de activista profesional, uno que combina dinero y marqueteo con la influencia creciente de internet para movilizar la opinión pública y la aceptación pública. Mostrado a menudo como un movimiento de raíces populares montado con presupuestos mínimos, los grupos que se oponen a la biotecnología son, mas precisamente, parte de una coalición más amplia de activistas sociales, ambientalistas sin fines de lucro, y organizaciones de inversión social, apoyados por un reservorio de fondos de fundaciones con intereses especiales.

La biotecnología es solo el último objetivo de alto perfil atacado por los grupos activistas. Esta coalición de protesta está explotando preocupaciones actuales sobre globalización y utilizando proposiciones tan complejas como la biotecnología para propósitos que no son presentados abiertamente o fácilmente reconocibles por el público.

Jay Byrne, Deconstructing the Agricultural Biotechnology Protest Industry.

Gracias por su atención

Dr. Alexander Grobman, PERU BIOTECagrobman@perubiotec.org