Introducción al Mejoramiento Genético Vegetal

Escuela para Graduados Facultad de Ciencias Agropecuarias Universidad Nacional de Córdoba

2014

Contacto

Dr. Carlos A. Biasutti

Mejoramiento Genético Vegetal

Facultad de Ciencias Agropecuarias

Universidad Nacional de Córdoba

Of. 408 4to.piso

Consultas: Miércoles 9 a 12 horas

biasutti@agro.unc.edu.ar

www.agro.unc.edu.ar/mejogeve

Cronograma

5/6 Introducción Modo de Reproducción Tipo de Cultivares Análisis de Ensayos Multiambientales

6/6 Métodos de Predicción

Estrategias de Selección y Desarrollo de cultivares

25/6 Desarrollo de cultivares

Marcadores Moleculares

26/6 Desarrollo de cultivares

Selección Recurrente

27/6 Desarrollo de cultivares

Producción de Semilla

Objetivos del curso

• Comprender los principios de la mejora genética de plantas.

• Aprender términos y conceptos técnicos.

• Entender como se desarrollan las nuevas variedades.

• Incorporar conocimientos para cursos avanzados

Porque estudiar mejoramiento genético?

• Disciplina en constante desarrollo

• Combinación de muchas disciplinas: molecular, biología, biometría, fitopatología.

• Cosmopolita

• Aplicada

Mejoramiento Genético Vegetal

• Qué es?

• Qué hizo?

• Qué puede hacer?

Que es?

Definiciones

Arte y Ciencia

• “El arte y la ciencia de cambiar genéticamente las plantas” (Allard, 1967).

Más Reciente

• El mejoramiento genético es la ciencia, el

arte y el negocio de mejorar las plantas

para el beneficio humano (Bernardo,

2002).

Una más..

• El mejoramiento genético vegetal es una rama de la agricultura que apunta a manipular la herencia genética de la plantas para desarrollar nuevas y mejores variedades de plantas para su uso por la sociedad

Mejorador

• “Un científico que utiliza un sistema

organizado de manipulación genética para

modificar una especie vegetal con el

objetivo de hacerla mas útil para un

determinado fin”.

Disciplinas relacionadas

• Morfología y Reproducción

• Genética

• Estadística y Diseño de Experimentos

• Fisiología

• Fitopatología y Zoología

• Biotecnología

Objetivos de la Mejora Genética

Vegetal

• Aumentar el rendimiento

• Incrementar la tolerancia a factores bióticos y abióticos

• Mejorar la calidad

Aumentar el rendimiento

• Resistencia al vuelco

• Resistencia a plagas y pestes

• Cultivares adaptados a un ambiente de producción específico

Incrementar la tolerancia a factores bióticos y abióticos

• Adaptación

– Cultivares insensibles al fotoperíodo

– Cultivares precoces

– Tolerancia

• Sequía

• Frío

• Salinidad

• Deficiencias de nitrógeno

• Resistencia a Enfermedades

Mejorar la calidad nutricional de los cultivos

– Mejorar el contenido de lisina de los cereales o de metionina en papa.

– Introducir genes que codifican para proteínas de la leche en los cultivos.

– Incrementar el contenido de vitaminas. Golden Rice genes que incrementa el β-caroteno del cual de construye la Vitamina A.

Premisas para el planeamiento de

un programa de mejoramiento

genético

1. La existencia de variabilidad o la posibilidad de

crearla

2. La capacidad o habilidad de detectar la variabilidad

3. La capacidad para manipular la variación para producir un nuevo cultivar.

Variabilidad Genética

Evaluación y Selección

Nuevas Variedades

Nuevas Variedades

Impacto

Comercial, Científico y Social

Que hizo?

Era 1: Domesticación y Selección Adaptativa

• Evaluación visual y selección masal para la domesticación de las especies.

Tripsacum dactyilodes

Teosinte Maíz Moderno

Era 2: Evaluación repetida de la descendencia

• Selección individual.

• Efectos de la endocría.

• Acción génica.

• Impacto de las variedades híbridas.

• Transgénicos

• Selección Mediante Marcadores Genotípicos

Mejoramiento Genético Vegetal

• Gregor Johann Mendel

Ciencia y Arte

• Darwin

• Mendel

• Vilmorín

• Johannsen

• Nilson-Elhe

• Shull

• Fischer

Ciencia: la base del MGV

• Darwin: sobrevivencia del mas apto

• Mendel: segregación y recombinación

• Vilmorín: evaluacion de la descendencia

• Johannsen: P = G + E

• Nilson-Elhe: factores múltiples

• East y Shull: endocría y vigor híbrido

• Fischer: la variación cuantitativa es una consecuencia natural de la herencia mendeliana.

La Revolución Verde

Rendimiento en ton/año de trigo en México

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

1943 1954

Rendimiento en kg/ha de trigo en México

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1943 1954

Dr. Norman Borlaug

Estimación de ganancia genética total

Ganancia Genética

Cultivo Total Kg/ha/año Período Localidad

Maíz 2700 54 1930-80 Iowa

Maíz 2060 52 1930-70 Iowa

Maíz 3880 130 1959-88 Ontario

Trigo 1106 16,3 1918-87 Kansas

Soja 1410 18,8 1902-77 Nebraska

Porcentaje del área maicera sembrada con cultivares híbridos en los EE.UU

Adopción de cultivares híbridos (1953-1980) en Argentina

Evolución del rendimiento de maíz en la Argentina durante los últimos 37 años

Caracteres transgénicos y eventos de transformación aprobados en maíz en la

Argentina

• El 50% del incremento en la productividad de los principales cultivos, de los cuales depende la alimentación de la humanidad, son debidos al mejoramiento genético de dichos cultivos.

Selección Asistida Mediante Marcadores Moleculares

F2

P2

F1

P1 x

Población compuesta de cientos de plantas

SELECCION FENOTÍPICA

Donante

Mejoramiento Convencional

F2

P2

F1

P1 x

Población

Resistente Susceptible

Selección Asistida por Marcadores Moleculares (MAS)

Mejoramiento Asistido por Marcadores

La selección fenotípica es basada en marcadores moleculares

Marcadores para resistencia y susceptibilidad

A : Selección convencional en base a la medición directa del carácter B: Plantas seleccionadas en base a un marcador molecular

Que puede hacer?

Era 3: Selección Directa Genotípica

• Selección de fenotipos intermedios

DNA RNA Proteínas Fenotipo

• Selección basada en mRNA

Ventajas

• Menor influencia ambiental

• Correlaciones basadas en funciones bioquímicas mas que debidas a ligamiento.

Fenotipado de Plantas

Mejoramiento sustentable

• El proceso de adaptar cultivares al

ambiente en vez de alterar el ambiente

para adaptarlo a nuevos cultivares.

Desafíos

Desafíos

• Para el año 2025, 2 billones de personas mas necesitarán alimento (UNPF)

Desafíos

• Los agricultores necesitarán, al menos, duplicar su producción para satisfacer la demanda de alimentos en los próximos 25 años (CIARG).

Desafíos

• La biodiversidad será amenazada en un 70% del total del área en los próximos 30 años.

Desafíos

• Cómo influenciará el incremento de la temperatura global sobre los principales cultivos?

• Necesidad de adaptar los cultivos a ambientes con mayor CO2

“I believe the world will be able to produce

the food needed to feed the projected

population of about 8.3 billion in the year

2025…but it cannot be attained without

permitting the use of technologies now

available or without research to further

improve and utilize new technologies,

including biotechnology and recombinant

DNA.”

Norman Borlaug, Ph.D.

Professor, Texas A&M University

Nobel Peace Prize Laureate, 1970

RESUMIENDO…

Objetivos y Métodos

• Objetivo

Modificación de las plantas para satisfacer las necesidades de la humanidad

• Métodos

Empleo de la variación genética existente, o generada, mediante la selección.

Gregor Mendel 1822 – 1884. Publicado en 1865 Hibridización en Pisun (1858 – 1863)

Principios Básicos

Principios Básicos

Homocigotas El locus posee alelos idénticos (A),

en ambos cromosomas homólogos

Heterocigotas El locus posee alelos diferentes (A,a)

En ambos cromosomas homólogos

AA “pure breeding”: AA, AA, ……..

Aa segrega 1:2:1 AA, Aa, aa

A A

A a

Leyes de Mendel

AA aa Padres

Uniformidad Aa F1

A

a

Aa

A

AA

Aa

F2 AA; Aa; aa=1; 2; 1

a

Aa

aa

Segregación

x

Dominancia

x

F1

F2

P1 P2

Codominancia

P1 P2

F1

F2

x

Autofecundación

G Genotipos Heterocigocis % Homocigosis

AA Aa aa

0 - 1 - 1 0

1 ¼ 2/4 ¼ ½ 50,0

2 3/8 2/8 3/8 ¼ 75,0

3 7/16 2/16 7/16 1/8 87,5

4 15/32 2/32 15/32 1/16 93,8

5 31/64 2/64 31/64 1/32 96,9

10 1023/2048 2/2048 1023/2048 1/1024 99,9

n (2n – 1)/2n+1 1/2n (2n – 1)/2n+1

Podemos distinguir un carácter cualitativo con realtiva facilidad en la

segregación

Caracteres

• Cualitativos: relativamente sencillo de identificar en la progenie. Se pueden agrupar por clases: colores, resistencia.

• Cuantitativos: no se pueden agrupar en clases distintivas, las diferencias entre ellos son pequeñas.

Panmixia – Ley de Hardy-Weinberg

p q

A a

p

A

AA

Aa

q

a

Aa

aa

p2 = P AA

2pq = H Aa

q2 = Q aa

AA

Aa

aa

A

a

A p=P+0,5H

a q=Q+0,5H

En ausencia de: Selección Mutación Migración No hay cambio en la s Frecuencias génicas: P0=P1= P2……..

Frecuencias de equilibrio: AA; Aa;aa = p2; 2pq,q2