Download Aplicación de la biotecnología en la mejora y conservación de

•Chávez Ornela
•Colunga, Raúl
•Domínguez, Fernando
•Fedrigo, María E.
•Gaona, Romina
•Marassi, M. Lorena
Principales estrategias
en genómica
1) Avances en
estrategias y
herramientas
genómicas
Situación en
Argentina
Investigación en
biotecn0logía
forestal
Objetivos
2) Organismos
genéticamente
modificados
Ejemplos en América
Latina
1) Avances en estrategias y
herramientas genómicas
(Principales estrategias)
 Las técnicas de marcadores moleculares para la
localización de genes simples y loci involucrados en
características cuantitativas (QTLs) han permitido
identificar intervalos genómicos “relativamente
amplios”, y por lo tanto decenas o centenas de genes, y
no los genes efectivamente involucrados en el control
de la característica.
 Sólo una estrategia de mapeo de polimorfismos de
secuencia que estén suficientemente próximos a una
mutación funcional revelará asociaciones entre
marcadores moleculares y caracteres de interés, mas
precisas.
 Información de estos mapas, conjuntamente con la
generada por diversos proyectos genómicos de
Arabidopsis thaliana, Populus trichocarpa y Eucalyptus
grandis , permitieron el desarrollo de nuevas estrategias
para la identificación de genes involucrados en
características de interés
 Con la info. Genómica disponible, se ha utilizado la
estrategia del “análisis del gen candidato” para la
identificación de genes subyacentes en QTLs, por ej. En
el pino, genes involucrados en la sintesis de lignina.
 En Eucalipto, mediante la estrategia de “genética
genómica” se vio que QTLs para crecimiento
colocalizaron con eQTLs (expressed QTLs) para genes
relacionados a contenido de lignina, sugiriendo que
crecimiento y lignina estarían controlados por los
mismos loci.
 En álamo, se estudiaron combinadamente QTLs,
microarreglos y genes candidatos para identificar genes
involucrados en tolerancia a sequía
 Para determinar loci y alelos responsables de las
diferencias fenotípicas, se emplea el “mapeo de
asociación” a partir de la busqueda de variantes de
genes candidatos. En contraste con el mapeo de QTLs,
los marcadores que muestran asociación con un
carácter fenotípico, están muy cerca o directamente en
el gen que influye en el carácter
Estas estrategias se refieren al estudio de la variabilidad
de los fenotípos naturales para la búsqueda de las
variantes genéticas que los causan.
Pero no son las unicas, existen otras alternativas que
consisten en la modificación de un fenotipo, a través de
los análisis de anulación (knock out) o sobreexpresión de
un gen mediante plantas transgénicas
 Independientemente de las estrategias
utilizadas, una vez identificados los
fenotipos beneficiosos, pueden seguirse dos
caminos:
 1) identificar genotipos que contengan estos
alelos de interés e introducirlos en los programas
de mejoramiento/conservación
 2) modificar genéticamente clones elite con
estas variantes
SITUACIÓN EN ARGENTINA: Estudios de
Genética Ecológica Forestal
 La desforestación a nivel mundial y en Argentina avanza
constantemente, por lo cual urge actuar rápidamente
en la conservación del bien común forestal, ya que de el
depende la conservación de la diversidad genética y el
uso adecuado de la misma en procesos productivos.
 Los diferentes marcadores moleculares en función de su
utilidad para reflejar el verdadero nivel de variación
genética a diferentes escalas espacio temporales son:
Marcadores
A) Procesos
evolutivos a
grandes escalas
espaciotemporales
B) Procesos
evolutivos recientes
C) Impacto actual de
disturbios de
diversidad genética
en escala local
 A)
Se destaca el uso de marcadores geneticos de
ADNm o ADNcp
 La organización molecular del genoma de cloroplasto
es extremadamente conservada por lo que diferentes
taxones mantienen un mismo arreglo lineal de sus genes
 Esto permite el monitoreo de la distribución espacial de
su variación y en grandes escalas y la reconstrucción de
su historia evolutiva y rutas migratorias.
 B) Para los objetivos del segundo grupo de marcadores,
se utiliza principalmente la información del ADN
nuclear, sujeta a una mayor tasa de mutación, herencia
biparental y recombinación de la info. Genética
 Ejemplo: Estudios realizados en Austrocedrus chilensis
permitieron encontrar que las poblaciones de esta especie,
fuera de los parques nacionales, son las que contienen la
mayor diversidad genética
 C) El tercer grupo de marcadores es utilizado en
estudios de procesos de importancia evolutiva y de
genética espacial a escala local, los cuales requieren
marcadores hipervariables, codominantes o
dominantes.
 Entre estos procesos figuran estimaciones de flujo
polínico actual, estructuración genética en
diferentes estratos generacionales, impacto del uso
silvícola en la diversidad genética, etc.
Marcadores de utilidad en la producción y mejora,
en huertos semilleros de especies forestales de
rápido crecimiento
 Un huerto semillero constituye una plantación de
clones o progenies seleccionados intensivamente
sobre la base de características de importancia
económica
Para la PRODUCCION, los marcadores mas
utilizados son los microsatelites, también llamados
SSRs, con el objeto de:
 Correcta identificación de clones elite
 Identificación de los progenitores
 Estimar el nivel de contaminación de polen de fuentes
externas en huertos semilleros.
 Conservar únicamente aquellos clones o individuos que han
sido de importancia económica
Los cuales constituyen factores críticos en la producción de
especies comerciales.
Otra importancia de los marcadores en huertas como
por ejemplo de Eucalyptus, es evitar la endogamia,
suceso que conlleva a consecuencias desfavorables en
la producción como son:
 Reducción de los niveles de producción de semillas
 Reducción de la altura y volumen de la planta
 Deformación de las hojas y de tallos.
Para lo cual el uso de los marcadores es imprescindible,
permitiendo evitar la implantación de clones genéticamente
relacionados en bloques continuos..
En cuanto a la MEJORA de población se utilizan
junto a los SSR, los AFLP con la finalidad de diseñar
clones a partir de la selección de un organismo con
caracteres morfometricos de interés que maximicen
el progreso en la mejora genética, optimizar la
estructura de las poblaciones de MEJORA y
PRODUCCION y desarrollar nuevas estrategias de
selección.
EVALUACION DE VARIABILIDAD FUNCIONAL
EN PROGRAMA DE MEJORAMIENTO Y
DOMESTICACION
 En los programas de mejoramiento y
domesticación de Argentina, se incorporaron y
desarrollaron nuevas estrategias dirigidas a
optimizar la calidad de la madera en especies
del género Eucalyptus, como así también
analizar características adaptativas en especies
nativas.
 FINALIDAD: Detectar variantes alélicas
responsables de la expresión del carácter.
2 ejemplos:
 1) El contenido y composición de lignina es
importante en la producción de pulpa para la
industria del papel, pero por otro lado, el bajo
contenido de este polímero también es
importante para la utilización de los residuos
forestales en la generación de biocombustible
(bioetanol).
• En una primera etapa se caracterizo un huerto semillero
clonal (27 arboles) de E. grandis. Tanto la variabilidad de
los genes candidatos involucrados en la vía metabólica
como en el contenido y composición de lignina, se
encontraron escasas diferencias fenotípicas entre
individuos y algunas variantes alélicas diferentes.
• En cuanto a la búsqueda de QTLs asociados a densidad
de madera se trabajó en poblaciones segregantes locales
de E. grandis y en el desarrollo de marcadores
funcionales de tipo EST-SSR a partir de secuencias
publicadas de E. globulus.
 2) Segunda aplicación del programa: estudio de
la variabilidad a nivel de nucleótidos de genes
involucrados en tolerancia a estrés tales como
sequia y salinidad.
 Los genes seleccionados se estudiaron en las
poblaciones de Austrocedrus chilensis y
Prosopis spp. (siendo éstas especies forestales
nativas de importancia económica, de rápido
crecimiento y con un alto potencial adaptativo)
• A partir de ESTs de Pinus pinaster, P. taeda, Prosopis
juliflora y genes de Arabidopsis y Criptomeria japonica,
se diseño de cebadores, amplificación y análisis de
fragmentos con alto porcentaje de similitud a los
depositados en la base de datos.
• En Austrocedrus chilensis se analizaron porciones de
los genes Pal 3, LP3-1 y Aquaporinas en genotipos
contrastantes sin detectar aun asociación.
• En Prosopis se evaluaron 5 genes en genotipos de las
especies Prosopis flexuosa, P. chilensis Y P.alba con
comportamientos contrastantes frente al estrés
hídrico.En los genes HAK3P, ERD 15, PHD finger y
Rab7 se detectaron SNPs diferenciales entre especies
que habitan las distintas regiones.
Conclusiones y perspectivas
 Marcadores moleculares para manejo asistido de
poblaciones de mejora y en genética ecológica, han sido
aplicados en Arg.
 Avances logrados mundialmente a nivel genómico en
especies modelo podrán ser utilizados en otras especies con
el fin de explotar la variación genética de poblaciones de
mejora o nativas.
 Para el descubrimiento de nuevos genes, será también
necesario generar e incorporar en bases de datos publicas,
secuencias de ESTs, logradas a través de experimentos en
géneros y especies en las que las disponibilidad actual de
proyectos de secuenciación no este prevista o sea difícil por la
complejidad del genoma (coníferas). A partir de estas bases
de datos y de las metodologías de alto desempeño se podrán
detectar gran cantidad de SNPs en forma paralela, a un costo
razonable y finalmente podrán utilizarse en estudios de
asociación genética.
 Por lo tanto, la genética de asociación promete ser la
estrategia elegida en todos los géneros y en donde el
objetivo es correlacionar la distribución de los
genotipos de los genes candidatos como secuencias
de ADN, y los fenotipos relevantes.
 Por esta razón, seguirán siendo clave la selección de
los genes candidatos, la capacidad de caracterizar
apropiadamente los fenotipos y la habilidad de
utilizarlos para manipular vía mejoramiento
molecular o transgénesis.
 Todas estas metodologías, además de mejorar el
conocimiento del control genético de características
de interés(alelos de importancia económica y
ecológica), reducirían los costos y tiempos de
mejoramiento y ayudaran en la conservación.
2-Modificación Genética de
Especies Forestales
 Sistemas de transformación: Agrobacterium
tumefaciens en Angiospermas y bombardeo de
partículas en Gimnospermas
 Problemas: regeneración de plantas
 Una de las aplicaciones mas importantes es:
investigación biológica de los árboles.
 Utilización comercial: es esencial disponer de
marcos reglamentarios para el ensayo,
seguimiento y gestión de OGM, utilizando
reproducción controlada.
Objetivos
 estudio de la funcionalidad de los genes
 Aumento en la producción de biomasa
 Cambios en la estructura de la madera
 Aumento de la tasa de crecimiento
 Incremento del volumen del tronco
 Periodo de reposo
 Introducir resistencia a insectos y hongos
 tolerancia a herbicidas
 tolerancia a estrés biótico y abiótico
Para ello:
-Se han modificado la expresión de genes que participan en la
síntesis de hormonas vegetales
por ejemplo: gen ipt de Agrobacterium tumefaciens, que
codifica una enzima para la producción de citocininas.
-se han sobreexpresado o inhibido genes involucrados en la
síntesis de lignina. Por ejemplo en álamo, pino y eucaliptus,
reduciendo la expresión del gen 4cl y aumentando la del gen
f5h se redujo un 45% el contenido de lignina y se aumento de
15% de celulosa
-se ha logrado árboles tolerantes a suelos ácidos y sequia, con
el gen DREB1A de Arabidopsis thaliana en híbridos de
Eucalyptus grandis x E. urophylla
 Modificación de la floración: esterilidad reproductiva,
utilizando gen PTD de Populus trichocarpa
 Utilización de plantaciones fitorremediar: híbridos de
Populus usando gen de mamíferos del citocromo P450 para
detoxificar tricloroetileno; se ha sobreexpresado un gen de
fitoquelatinas para la eliminacion de cadmio
Árboles transgénicos en
América Latina
 En algunos países de América Latina se están desarrollando





proyectos de transformación genética de árboles para su
comercialización:
En chile se está tratando de obtener pinos resistentes a la mariposa
del brote.
investigadores brasileños, han participado en el desarrollo de
álamos y eucaliptos transgénicos.
Empresas brasileñas están desarrollando eucaliptos con la cantidad
de lignina modificada, para la producción de papel.
-En México se están ensayando nuevos genes para incrementar el
crecimiento en Pawlonia sp.
En Argentina, tanto el INTA como la UNLP han iniciado proyectos
de modificación génica de clones de álamos para modificar la
lignina, para tolerancia a herbicidas y resistencia a insectos.
Conclusiones
 La modificación genética en el sector forestal es mas que una
•
•
cuestión técnica hay que tener en cuenta:
-los valores socio culturales
–los múltiples usos e los bosques
– la aceptación de la opinión publica
Se necesitan protocolos fiables, experimentados y convenidos
para evaluar los riesgos de los arboles forestales genéticamente
modificados.
En consecuencia el desarrollo, ensayo y aprobación de los
arboles forestales genéticamente modificados, para una
utilización mas general puede sufrir costos elevados y tener
plazos muy largos.
• La manipulación genética a nivel forestal se realiza en al
menos 25 países.
• En china se establecieron plantaciones de arboles
genéticamente modificados, con genes de resistencia a
insectos.
• Si se decide liberar comercialmente estos arboles es
condición utilizar materiales con reproducción controlada.
• La madera es vital para la economía mundial, pero la
presión del desarrollo humano y el crecimiento de la
demanda están contribuyendo a la degradación de
ecosistemas forestales naturales.
• La modificación genética y otras biotecnologías pueden
tener una función importante en las plantas forestales.