Download Pablo A. Zamora PhD Director Cientifico Universidad de California

Impactando la agricultura de precision:
Herramientas metagenomicas para el diseño
de bioproductos
Pablo A. Zamora PhD
Director Cientifico
Universidad de California, Davis
[email protected]
Parte I. Microbiomas de Plantas
La comunidad de microorganismos asociado funcionalmente a plantas.
Comunidades microbianas complejas que viven en la tierra proveen nutrientes
esenciales y ayudan a proteger los cultivos de las enfermedades.
La comprensión de los efectos del microbioma en plantas de cultivo permitirá
el desarrollo de tecnologías agrícolas que explotan las alianzas naturales entre
los microorganismos y las plantas, y ofrecerá nuevas rutas para aumentar el
rendimiento más allá de la mejora genética convencional de plantas.
Schenk et al 2011
Metagenomica
Estudio de los genomas de los microorganismos asociados a un ambiente especifico.
• El término "metagenómica" fue utilizado por
primera vez por Jo Handelsman en 1998.
• Metagenómica se refiere a la idea, que una
colección de genes secuenciados del medio
ambiente podría ser analizada en forma análoga
al estudio de un solo genoma.
• Aplicación de técnicas para el estudio de las
comunidades de organismos microbianos
directamente en sus entornos naturales, evitando
la necesidad de aislar y cultivar especies
individuales en laboratorio
Proyecto Tradicional de Genómica Microbiana
La Metagenómica difiere de muchas maneras
Tipos de Estudios Metagenómicos
- Identificación basada en RNA ribosoma 16S
Secuenciación de RNA ribosoma 16S
Microarrays de RNA ribosoma 16S
PhyloChip: PhyloChip detecta en promedio el doble taxa que
la secuenciación de genes RNA ribosoma 16S
Revela diversidad y abundancia microbiana
- Shotgun secuenciación metagenómica
Revela el contenido de genes de una comunidad y su potencial
metabólico
- Metagenómica dirigida- Análisis metagenómico guiado por función
Anotación Funcional
KEGG
Fijacion de nitrogeno
El microbioma simbionte biodisponibiliza el nitrogeno para las plantas.
N2 es 78 % del gas atmosférico, pero sólo se puede utilizar en formas
biológicamente reducidos
Nitrogenasa
N2 +
+
8H +
8e +
16 ATP 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Una energía de reacción “costosa” pero proviene de la fotosíntesis
Por logeneralasociados conplantas pero las plantas NOfijan elN2
BACTERIASasociadas alas plantas sonresponsables
+
PLANT
MICROBE
BiologicalNitrogenFixation
Primer mes
Abril
Tercer mes
Junio
Después de sembrar
Quinto mes
Agosto
Buscando rasgos de fijación de
nitrógeno
Landrace
Landrace
Comercial
Comercial
Comercial
TotalNsoillevel:0.6mg/kg
Caracterizar la comunidad microbiana global que colonizan los tejidos de maíz
Localizar microbios diazotróficos.
Búsqueda de una comunidad microbiana de semillas transmitidas.
Seedsurface
Enterobacteriaceae
Stem
Enterobacteriaceae/
Pseudomonadaceae
JonathanEisen Lab
Roots
Enterobacteriaceae
Análisis de datos de pirosecuenciación de endófitos de plantas
Diversidad endófitos
Análisis de data del genoma del microorganismos
Estos genoma contienen nuevos genes?
Son similares a otros genomas descritos?
Existen pruebas de co-evolución
planta/microbio?
0,15
Aerial Root
Mucilage
Stem
Root
Endosperm
Embryo
PC2 (11.27%)
0,1
0,05
Mucilage
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
-0,05
-0,1
PC1 (79.16%)
0,5
0,6
0,7
P.C Dos Santos et al.,
BMC Genomics 13, 162 (2012).
1,000
1**
Mucilage
0,900
Rhizosphere
0,800
Stem
Normalized abundance
0,700
0,600
0,500
0,400
0,324
0,300
0,200
0,169
0,160
0,140
0,111
0,098
0,100
0,053
0,051
0,035
0.004*
0
0,022
0
0
0
0.010*
0
0.001 #
0
0,000
NifB
NifD
NifE
NifH
Core Nif Genes
NifK
NifN
AnfG/VnfG
0
El aislamiento y la caracterización bioquímica de microbios
(Fijación de nitrogeno y otros)
Screening
maizeisolates
!"#$%#&'()*#
Metabolicpathways
BartWeimerLab
-.+/,/01-23+45,'64/71-35,
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!>(3-./-/--5!'!@A
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Morethan400species
J3.17/-/--/4J3!'32.3(/?3(3!
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J3.17/-/--/4J3!'!@A'016;
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3??3+2.3771'73(21
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!/+1(?45,'-37757/!5,
-.7/+/045,'@.13/01-23+/4J3!
Los microbios que colonizan el maíz Landrace han aislado de mucílago, raíces, semillas
y tejidos superficie de plantas (endófitos) para demostrar su participación en el
mecanismo de fijación de nitrógeno. Algunos de los microbios serán secuenciados para
identificar nuevos genes, nuevas vías metabólicas y funciones biológicas para entender
de la interacción de el maíz Landrace con el microbio.
+
Más de 1.500 aislamientos - muchos de ellos de mucílago, tallos y raíces subterráneas
Parte II. Bioproductos
productos de origen biológico desarrollados para el agro.
La siguiente revolución verde puede provenir de los microorganismos
Durante la competición por recursos, el desempeño de los
microorganismos es mejor juntos que separados. Los
microbiomas tienen metabolismos que se complementan unos
con otros obteniendo energía de una cascada de productos que
funciona óptimamente a diferentes condiciones.
Tipos de bioproductos
El mercado mundial se diversifica
Productos de control biológico.
(Biopesticidas y macro organismos)
Protección frente a pestes
Inducción respuesta sistémica.
Liberación de metabolitos secundarios.
Formación de barreras en raíces.
Biofertilizantes
Aumento de captura de nutrientes (N).
Producción de sideróforos (Fe).
Solubilización de fosfato
Reducción del pH del suelo.
Bioestimulantes
Estimulación del crecimiento de la
planta.
Producción y modulacion de hormonas
de la planta.
Oportunidades de mercado
visión del panorama actual
Crecimiento del mercado de biopesticidas y
bioestimulantes
US$3
billones
US$500
millones
US$400
millones
1995
2004
2015
CAGR
12 – 18 % ANUAL
CAGR: Compound Annual Growth Rate
Presente escenario en la industria de la
protección de cultivos
Startups dedicadas a bioproductos han sido adquiridas por grandes
compañias que buscan nuevos mercados de expansión a través del acceso
a nuevos y especificos desarrollos (Know how).
Inversores de capital de riesgo están
entusiasmados con el desarrollo de nuevas
StartUps.
Fuente: Cleantech Group
AdvancedMicrobialSelection (AMS):
Evolving plant microbiomes to improve
crop traits
FundadoenNuevaZelandiaen1994
Libreríademicrobianacontienemasde34Kaisladosmuestreados
paramedirmetabolitosdebioactividad,incluyendo+6Kde
endófitos.
EntradaalI+D– AMSen 2009
ConfocoenperfeccionarsurevolucionariaplataformadedescubrimientoyenSelección
MicrobianaAvanzada(AMS)
EstablecimientoenDavis,Californiaen2014
LevantamientodeUS$15millonesdeKhosla Ventures yOtter Capital
FuerteexperienciaenI+D
30expertosaltamenteexperimentadosenlaindustriaylaacademia,incluyendo
12 PhDs
ColaboraciónenInvestigación
Participantesenproyectosytesteosconunimportantenúmerodecompañías
multinacionales
100+muestrasdesuelo
paradiversidadgenética
microbiana&tratamiento
químicodesemillas.
Transferencia de plantas de mejor
rendimiento a nuevas semillas
REINOCULACIÓN
SELECCIÓN MICROBIOMA DE
PLANTA
Naturalmente el microbiomas coloniza la
planta que crece en condiciones
controladas.
SELECCIÓN FENOTIPICA
ANALISIS MICROBIOMA
Cepas con mejores resultados de
colonización tendrán mejor resistencia a
estrés o tendrán un crecimiento mejorado.
AdaptadodeBioconsortia.Patenteenproceso.
PLATAFORMA DE DESCUBRIMIENTO DE MICROBIOMAS
Muestreo de medioambiente / microbioma
CULTIVO
PERFIL
HUMANO
Panel de cultivo
ANIMAL
AGRO
Enriquecimiento
ENERGIA
SECUENCIACIÓN
genes rRNA 16S o 18S
A
COLECCIÓN DE CEPAS POR TAXON
agtcagtctagtcgtagtctgctagtagctagtagtagatgctagatcgatcgatcagcatca
gcagcatcagcatcagcatggcatgcatgcatgcatcgatcagcatcggcatgcatcgag
catcagcatcagcatcagcatcaggcatggcatgcatgcatgcatcgatcagcatcggcat
ANALISIS DE LA COMUNIDAD
B
CONSTRUCCIÓN DE CONSORCIOS SINTETICOS
Rendimiento, estabilidad, eficiencia, uso de
nutrientes, crecimiento temprano, vigor, tolerancia a
estrés biótico y abiótico, etc.
IDENTIFICACIÓN DE IMPORTANTES
CONSORCIOS
A: IDENTIFICACIÓN DE MICROBIOMAS ESPECIFICOS.
B: OPTIMIZACIÓN DE CONSORCIO SINTETICO.
Tratamiento biológico en semilla entrega nuevo modelo de acción
para el control del gusano de la raíz del maíz
Rizósfera con hongo
entomopatogenico competente
Nuevo modelo de acción comparado
con insecticida basados en proteína
Bt
Infección de larvas a través de un
proceso complejo
Solución integral que entrega una
excelente protección de la raíz
Caso de estudio: Pseudomonas spp.
Fuertemente estudiada, limitada comercialización
10.000
artículos
científicos
Mecanismos
Pseudomonas spp.
• Solubilización de P
• Quelador de Fe
• Produccion de
compost bioactivo:
• DAPG
• Auxinas
1000s con foco en
agricultura
• AtEze (Agrium)
• Blightban (Nufarm)
• Bio-Save (Jet Harvest)
• Cedomon, Cerall (BioAgri)
Productos tangibles
“Handful”
products
Menos
de
10
• Proradix (Sourcon-Padena)
Mercados
especializados
Frecuentemente poseen una
pobre o variable actividad en
campo
days
Producción
Almacenamiento
Distribución
Almacenamiento
en granja.
Uso
La solución: Distribución en fresco
NUEVA APROXIMACIÓN EN DISTRIBUCIÓN
Producto se activa en granja.
Crecimiento en terreno en biorreactor. Bacterias
mas frescas.
Aplicada en suelo o en semilla.
UC Davis, Chile
oferta de valor en bioproductos
División de Bioproductos en UC Davis Chile un Modelo de
Innovacion Abierta
A. Proveer una plataforma costo-efectiva para el biodescubrimiento de nuevos
microorganismos con actividades especificas o nuevas actividades para el
mercado industrial y agronómico.
B. Caracterización de bioproductos y optimización de bioprocesos para el
mercado industrial y agronómico.
C. Diseño de procesos de escalamiento, formulación y empaquetamiento para
nuevos bioproductos y/o bioprocesos.
Oferta de servicios UC Davis, Chile – Área
Bioproductos
Caracterización
poblaciones
microbianas
Caracterización
bioproductos
Determinación
eficacia y eficiencia
Prueba de campo
Escalamiento,
optimización y
control calidad
Prospección fx
especificas
Formulación
bioproductos
GRACIAS
[email protected]