Estado actual de la biotecnología moderna y su importancia en la
seguridad alimentaria y el cambio climático:
Perspectivas para América Latina y el Perú
Rodomiro Ortiz
Curso: Biotecnología Moderna y Bioseguridad
UNALM, Doctorado en Agricultura Sustentable
Proyecto LAC Biosafety - Perú
La Molina 6 de diciembre de 2010
Agro-biotecnología y agricultura sostenible
• Conservando mejor los recursos genéticos al proporcionar un mayor conocimiento
• Preservando el medio ambiente al reducir el uso de pesticidas o facilitar las prácticas de la agricultura de conservación
• Respondiendo a las exigencias sociales centrándose en la mejora de las características para satisfacer las demandas del usuario final
• Siendo económicamente competitiva y rentable como lo demuestra el uso de algunos productos de la agro-biotecnología (incluidos los conocimientos dentro de ellos)
Retos de la Agricultura y la Alimentación en el Perú
• En menores de 5 años la desnutrición crónica es del 25%, el 50% padece de anemia y el 11% manifiesta deficiencia sub-clínica de vitamina A
• Agricultura contribuye con el 62.8% de la oferta nacional de alimentos y es el principal sustento de vida para la población rural
• El 34% de la superficie agrícola del país está bajo riego (principalmente en la costa) y el 66% de la agricultura se conduce bajo secano dependiendo de las lluvias
• Cambio climático está acelerando la frecuencia y magnitud de los fenómenos climáticos e indirectamente está reduciendo la disponibilidad de recursos naturales; y efectos de corto y largo plazo en la productividad de la actividad agropecuaria
Belice Chile
Uruguay Paraguay
Panamá Brasil
República Dominicana Ecuador
Bolivia Honduras
América Latina y El Caribe Perú
San Kitts y Nevis Guatemala
Argentina Nicaragua
México Suriname Colombia
Antigua y Barbuda Costa Rica
El Salvador Venezuela
Guyana Cuba
Dominica Haiti
San Vicente y las Granadas Bahamas
Jamaica Barbados
Trinidad y Tabago Granada
Santa Lucia
Crece la producción agropecuaria en América Latina …
El paradigma de la adopción de tecnología
• Reemplazo de la vieja tecnología por nueva tecnología con mejor adaptación al ambiente (s)
• Agricultores e investigadores buscan la adaptación de la tecnología en gradientes que resultan de estreses (a)bióticos y otros factores
• Paradigma de la Tecnología Agrícola: Tecnología (por ejemplo cultivar) = Genotipo x Ambiente x Manejo del Cultivo y Sistema de Producción x Política Agraria x Instituciones x Usuario
Incremento de los cultivos a partir de los 1950 ha permitido en el largo plazo tener más comida a
precios más bajos históricamente (ejemplo de trigo)
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1984
1989
1994
1999
2004
ton p
er
hect
are
UK France US India Argentina China Canada
Oferta mundial del alimento: Tendrá que duplicarse para el 2050
• 80% del crecimiento futuro de tierras actualmente en uso
• El crecimiento de la producción se debe concentrar en los países consumidores
• Potencial de expansión de tierras limitado
• La expansión de riego crucial
Norman E. Borlaug 2005
Trigo Arroz Irrigación Fertilizante Tractores Cosecha
(millón ha) (millón t) (millón) (millón t )
La Revolución Verde: Cambios en los insumos en Asia
(millón ha / % área)
Adopción de nuevos cultivares
1965 0 / 0% 0 / 0% 94 5 0.3 368
1970 14 / 20% 15 / 20% 106 10 0.5 463
1980 39 / 49% 55 / 43% 129 29 2.0 618
1990 60 / 70% 85 / 65% 158 54 3.4 858
2000 70 / 84% 100 / 74% 175 70 4.8 962
2005 72 / 87% 102 / 76% 178 77 6.4 1,017
Norman E. Borlaug 2005
Impactos de la Revolución Verde
Sin la Revolución Verde en el mundo en desarrollo:
• 20% menor rendimiento de los cultivos
• 19% más altos precios de los alimentos que en el año 2000
• 5% menor consumo de calorías
• 2% de incremento en el número de niños desnutridos
• más 590 mil millones TM emitidas de CO2
Evenson y Gollin, 2003; Burney et al., 2009
La Revolución Verde y el medio ambiente
Las ganancias en el rendimiento de los cereales han permitido el
ahorro de tierras que hubieran sido necesarias para que la
agricultura produzca suficientes alimentos para la humanidad
Norman E. Borlaug
Cambios en el contexto agrícola
• Potencial de mercado (más que la producción) define el
desarrollo
• El libre comercio y la globalización crean mayor
competencia
• El sector privado provee conocimiento, información y
tecnología
• ICT cambia los procesos de difusión tecnológica
• La sociedad civil participa en las decisiones y la
descentralización incrementa las responsabilidades y los
recursos locales
• Las crisis económicas son restricciones fiscales
Willem Janssen, Banco Mundial
Retos a futuro
Anticiparse a los posibles efectos bióticos y abióticos del cambio climático global
Uso eficiente de la diversidad en los recursos genéticos de los cultivos (genética molecular; sistemas de información geográfica, ...)
Atender tendencias en consumo
Uso potencial de cultivos transgénicos (OGM) para la productividad y abaratar costos de producción
Agro-biotecnología
• Cultivo de tejidos para multiplicación rápida de plántulas libres de patógenos, germinación in vitro de semillas (después de hibridación inter-específica), haploidía, duplicación de cromosomas , mutagénesis, variación somaclonal o DNA-recombinante para diagnósticos de pestes
• Ingeniería genética (cultivos transgénicos)
• Fitomejoramiento asistido por marcadores moleculares (incl. secuenciamiento de genomas)
Los cultivos del Siglo XXI
Resistencia a patógenos y
pestes
Calidad nutritiva
Estreses abióticos
Resistencia a herbicidas
Potencial genético del rendimiento
Norman E. Borlaug 2005
Biotecnología de los cultivos en América Latina
• Capacidad para el mejoramiento de cultivos transgénicos: Argentina, Brasil y México
• Habilidad para usar técnicas convencionales y modernas del fitomejoramiento: Chile, Colombia, Costa Rica, Perú y Uruguay
• Baja capacidad para fitomejoramiento convencional y carecen de habilidad para usar la agro-biotecnología: Ámerica Central, Bolivia, República Dominicana y Paraguay
GERMOPLASMA MEJORADO
GENES
Genómica Recursos genéticos
Ingeniería genética
Selección asistida por marcadores (ADN)
Selección convencional
Bancos de germoplasma Poblaciones segregantes
Biología molecular del gen
Estructural Funcional
Fitomejoramiento
Genómica para usar la diversidad genética de los cultivos
• Los marcadores moleculares son descriptores que ofrecen resultados reproducibles para la caracterización de genotipos
• Los marcadores de ADN también pueden ser utilizados para identificar entradas duplicadas en el banco de germoplasma, determinar la tasa del flujo de genes y el tamaño efectivo de la población, y revelar la estructura de la población de los cultivos y sus especies silvestres, o elucidar la domesticación de cultivos
Seleccionar Germoplasma
Determinar fenotipos en
ensayos multi-sitios (T)
Medir la estructura de la población usando
marcadores neutros (mátrix Q) o el coeficiente de
parentezco (mátrix K) (or ambos, Q+K)
Encontrar polimorfismos
(SNP) en gen(es) candidato(s) (C) o con alta densidad
de marcadores (dentro del LD)
Crear 3 sets de datos del germoplama selecto
Análisis de Asociación:
T=C+(Q+K)+E
Tolerancia a la sumersión en arroz
Introgresión del haplotipo sub1 de FR13A a un cultivar intolerante a través de mejoramiento
asistido por marcadores moleculares
14 d después de sumersión
Composición génica de la región sub1 y acumulación de RNAm inducido por
sumersión (1-10 d y 1-3 de recuperación) del arroz tolerante (IR40931-26) e intolerante (Nipponbare)
Evolución de la tecnología del maíz y rendimientos (bu/acre) en EE UU
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b=1.52
b = 2.85
b = -0.67
b = 1.17
1988
1983
1970 1974
1993
1936
1947
2004
Híbridos simples
Cultivares de polinización libre
Híbridos dobles
Transgénicos
Área de cultivos transgénicos en el mundo: 1996-2009 (millones ha)
14 millones de agricultores en 25 países sembraron 134 millones de hectáreas en el 2009 (9% más que en el 2008)
Impactos y beneficios de los cultivos transgénicos en el Mundo …
Las emisiones de gases de invernaderos se redujeron significativamente debido a prácticas agrícolas con cultivos transgénicos: 14.2 mil millones kg de CO2 en el año 2007 (= 6.3 millones de carros de las carreteras por un año)
La aplicación de pesticidas (1996-2007) se redujeron en 359 millones de kg (equivalente a 125% del volumen anual del ingrediente activo en los campos de cultivo de la Unión Europea) Los beneficios económicos netos (en las fincas de agricultores) fueron de US$ 10.1 mil millones en el 2007 (equivalente al 4.4% del valor de la producción global de soya, maíz, colza y algodón) y US$ 44.1 mil millones para el período 1996-2007
Del total del beneficio neto a nivel de finca, 46.5% (US$ 20.5 mil millones) se debió a incrementos en rendimientos de granos y el resto a reducción en los costos de producción
Los agricultores de los países en desarrollo han obtenido la proporción mas alta de beneficios en sus ingresos: 58% en el 2007 y 50% del total (US$ 44.1 mil millones) de las ganancias para el período 1996-2007. Los agricultores de los países en desarrollo han visto los más largos incrementos por hectárea por el uso de cultivos transgénicos
… Impactos y beneficios de los cultivos transgénicos en el Mundo
Las características transgénicas han añadido 67.8 millones de toneladas y 62.4 millones de toneladas respectivamente a la producción global de soya y maíz desde el año 1996. Esta tecnología ha contribuido igualmente 6.85 millones de toneladas extras de hilo de algodón y 4.44 millones de toneladas de colza Los incrementos del rendimiento promedio global del área plantada con maíz y algodón transgénicos con resistencia a insectos fueron 6% y 13% respectivamente (1996-2007) con los beneficios más altos con los agricultores de los países en vías de desarrollo
La producción adicional debido a los cultivos transgénico (1996-2007) ha contribuido en términos de kcal equivalentes en alimentar a 402 millones de habitantes (una producción adicional en el 2007 para alimentar 88 millones, similar a las necesidades alimentarias del las Filipinas) Si la tecnología transgénica no hubiese estado disponible para los 12 millones agricultores (principalmente minifundistas) que la usaron en el 2007, se hubieran necesitado de 5.9 millones de ha de soya, 3 millones de ha de maíz, 2.5 millones de ha de algodón y 0.3 millones de ha de colza para mantener los niveles de producción del 2007. Esta área adicional total equivale al 6% de la tierra con aptitud agrícola en los EEUU, o 23% de la misma en Brasil
Global Impact of Biotech Crops: Income and Production Effects 1996-2007
http://www.pgeconomics.co.uk/
Efecto de Halo
Maíz Bt cultivado cerca de maíz no Bt proporciona a las plantas
normales protección indirecta de las pestes
Impactos del maíz Bt en Argentina
• Se cultivaba en el 41.9% del 23.5 millones de hectáreas (2006)
• 4.8 millones de toneladas de grano adicional después de la introducción de esta tecnología en 1998
• La producción podría caer un 3.1% sin maíz Bt • Los beneficios acumulados de maíz Bt: US$ 481.7
(1998-2005); de los cuales corresponden a los agricultores 43.19%, 41.14% a los proveedores de semillas y 15.7% al Gobierno Nacional
Brookes et al., 2010; Trigo y Cap, 2006
Rendimientos de maíz en períodos pre-transgénico y post-transgénico
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EEUU Argentina Sudáfrica
Pre-transgénico
Post-transgénico
Tasa anual de rendimiento (kg ha-1) de maíz en Estados Unidos de Norteamérica (EEUU), Argentina y Sudáfrica antes y después del año de
la introducción de maíz transgénico (1997, 1998 y 2000, respectivamente)
Mezzalama et al., 2010
Impacto de la Soya Roundup Ready® en el Cono Sur
• Argentina: US$ 19.7 mil millones (1996-2006): 77.5% para los agricultores, 3.9% proveedores de semilla, 5.2% vendedores de herbicidas y 13.4% al Gobierno Nacional (impuesto de exportación)
• Argentina y Paraguay: facilitó la adopción de la labranza mínima-siembra directa, por lo tanto acortando el ciclo del cultivo y permitiendo una segunda siembra que añade 53.1 millones de t de grano
Brookes et al., 2010; Trigo y Cap, 2006
Algodón Bt en América Latina • Argentina: US$ 20.8 millones: 86.2% para los
agricultores, 8.9% para proveedores de semillas y 4.9% al Gobierno Nacional (1998-2005) (adopción inicial baja por los costos de la semilla, pero el “mercado negro” …)
• México: Beneficios anuales de US$ 2.7 millones después de su introducción en 1996. Agricultor que usa esta tecnología —con un tamaño de finca promedio de 14 ha— usó menos de US$ 100 en control de plagas y sus ganancias netas fueron US$ 295 ha-1 que los agricultores que no adoptaron algodón Bt
Traxler and Godoy Avila , 2004; Trigo y Cap, 2006
El nivel de ganancias al nivel de la finca depende si el agricultor adopta y retiene una tecnología, la cual se debe a varios factores y no solamente a su rendimiento; por ejemplo la capacidad nacional de innovación agrícola, las regulaciones ambientales y de inocuidad de los alimentos, los derechos de propiedad intelectual, y los mercados de insumos agrícolas
Cultivos transgénicos públicos
First transgenic geminivirus-resistant plant in the field
Francisco J.L. Aragão & Josias C. Faria
Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, Brasília, Brazil
Embrapa Arroz e Feijão, Santo Antônio de Goiás, Brazil
Nature Biotechnology 27, 1086 - 1088 (2009)
Generation of two transgenic geminivirus-resistant common bean lines
México: crean un maíz resistente a la sequía
Investigadores del CINVESTAV disminuyeron la cantidad de trehalasa, una enzima encargada de degradar el azúcar que de manera natural mantiene el agua en el maíz: soporta sequías prolongadas y necesita un 20% menos de agua
http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2010/09/100927_mexico_maiz_resistente_sequia_jp.shtml
OGM: del laboratorio al campo
info and primers
Functional Screening
Glasshouse and Field
transgenics, range of copy numbers and expression levels
putative transgenics
source material vectors
Molecular Analysis
Transformation
and
Tissue Culture
Glasshouse Vector
Construction
Lo que ofrece la biotecnología de cultivos
Cultivos tolerantes a estreses (sequía, plagas y enfermedades, suelos ácidos o infértiles)
Cultivares biofortificadas con micro-nutrientes, de alta calidad proteica y con niveles reducidos de micotoxinas
Cultivares con resistencia a herbicidas que se adaptan mejor a las prácticas de la agricultura de conservación
Millones de vidas humanas pueden salvarse: Como la severidad de VAD depende de los ingresos, los efectos positivos del “Golden Rice” son más pronunciados en los grupos de menores recursos. En un escenario pesimista, el costo de salvar un DALY es < US$ 20 comparado con el costo de US$ 134–599 por suplementación de la dieta con vitámina A
VAD = Deficiencia de vitámina A DALY = Años de vida ajustados por incapacitación
Calentamiento global: La evolución de la temperatura
Evidencia del cambio climático
Noches cálidas Tendencia 1960–2000
Fuente: Magrin 2007, a partir
de Haylock et al. 2006
Cambios en precipitación Aumento de temperatura mínima
Fuente: Magrin
2007, a partir de
Vincent et al. 2005
(1960-2000)
Efectos del incremento de eventos extremos Estimación de daños por el Fenómeno de El Niño, 1997/1998
(18.1d) Bolivia
(Daño total estimado: 527.3 millones de US$)
(18.1b) Ecuador
(Daño total estimado: 2881.6 millones de US$)
(18.1a) Colombia
(Daño total estimado: 563.5 millones de US$)
(18.1c) Perú
(Daño total estimado: 3.500 millones de US$)
Fuente: Indicadores Plan Agro 2003-2015
Impactos del cambio climático Impactos generales esperados a futuro en América Latina y el Caribe
• Reemplazo gradual de los bosques tropicales por sabanas en el este de la amazonia
• Vegetación semiárida tenderá a ser reemplazada por vegetación de tierras áridas
• Riesgo de pérdidas significativas de biodiversidad a través de la extinción de especies en muchas áreas tropicales
• Cambios en los patrones de precipitación y la desaparición de glaciares, que afectarán significativamente la disponibilidad de agua (consumo humano, agricultura, energía)
• Hacia el año 2020, el incremento neto en el número de personas experimentando estrés hídrico debido al cambio climático es posible que sea entre 7 y 77 millones
• Los incrementos esperados en el nivel del mar, en la variabilidad climática y en los eventos extremos es muy posible que afecten las áreas costeras
Fuente: Adrián G. Rodríguez, CEPAL, 2007
Impactos del cambio climático en el Perú Antecedentes • Agricultura contribuye con el 62.8% de la oferta nacional de alimentos • Sólo el 34% de la superficie agrícola del país está bajo riego
(principalmente en la costa) el 66% de la agricultura se conduce bajo secano
Impacto: Disminución de la productividad agrícola entre 12% y 50% • Aumento de la sequía en la sierra del Perú • El retroceso de los glaciares: reducción 22% en los últimos 25 años • Aumento de temperatura: mayor evaporación de H20 almacenada • Modificaciones regionales del régimen de precipitaciones y
temperaturas: acontecimientos violentos e infrecuentes como las inundaciones, la sequía y las tormentas
Propuesta de acción inmediata Adaptación o cambios de cultivos para enfrentar la carencia de agua y el
aumento de la temperatura
Agua y agricultura en un contexto del cambio climático
• Agua y agricultura – La agricultura el mayor usuario de agua a nivel mundial – La competitividad de la agricultura depende de disponibilidad oportuna
de agua.
• En América Latina se proyecta un incremento en la demanda de agua para irrigación, generando mayor competencia por esta entre los sectores agropecuario, industrial, energético y doméstico
• Cambios en la disponibilidad de agua – Afectada por el cambio climático y la variables climáticas, tanto por
carencia como por exceso – Afectada por opciones de adaptación en la agricultura – Demandas de otros sectores (crecimiento económico y de la población)
• La disminución de los niveles freáticos y el incremento en el costo energético para su extracción harán que se incrementos los costos en la agricultura.
Fuente: Adrián G. Rodríguez, CEPAL, 2007
Algunos enfoques para abordar el cambio climático
• Mejores previsiones y opciones de política: proporcionar información local y regional que combinan los conocimientos de previsión con la experiencia en sistemas de cultivos
• Mejorar genéticamente los cultivos capaces de soportar las temperaturas, la sequía y las inundaciones
• Un uso más eficiente de los recursos: la mejora de capacidad de los agricultores a utilizar el agua de manera eficiente y mejorar la gestión de los suelos frágiles son esenciales para adaptarse a la crisis del cambio climático
La expresión génica en respuesta al estrés: la especificidad y la interferencia de las redes reguladoras de genes
Fuente: Nakashima and Yamagushi-Shinozaki 2005
rps 1-like NACR MYCR MYBR ABRE
DREB2
DRE/CRT
DREB1/CBF
ERD1 RD22 RD29B RD29A
post-transcriptional
regulation
ABA ?
ZF-HD
NAC
MYC
MYB
post-transcriptional
regulation
AREB/ABF
AREB/ABF DREB1D/CBF4
?
post-transcriptional
regulation
NAC
ICE1
ICE1
?
Low temperature Drought & High salinity
HOS1 ? ?
Funciones de los genes DREB1A
Fuente: Kazuko Yamaguchi-Shinozaki (JIRCAS)
Transcription
factors
(Zn finger, WRKY)
Chaperons
Protection factors
of macromolecules
(LEA proteins)
Unknown
proteins
Membrane
transporters
Key enzymes for osmolyte
biosynthesis
(proline, sugar)
Detoxification
enzymes
Enzymes for
PI metabolism
(PLC, PLD)
DREB1
A
Ingeniería genética para mejorar la adaptación del trigo a la sequía
Factor transcripcional de elemento de respuesta a la sequía y promotor inducible por el estrés (CIMMYT-JIRCAS)
AtDREB1A rd29A pBI101 pBI101 nos T
Performance fotosintética del cv. Bobwhite transgénico con DREB (con estrés extremo de sequía)
Diferencia 29% 35% 90% -8% -4%
Evapo-
Conductancia Tasa de asimilación
CO2 sub- estomatal “Spad “de
clorófila transpiración
(mm/m2/s) (mm/m2/s) (umol CO2 m-2 s-1) (ppm)
Avances con DREB en el trigo transgénico
Resultados preliminares
DREB parece retardar el desarrollo
Extensiva investigación en tolerancia a la de-hidratación
Amplia evidencia de “plantas verdes” (“stay green”)
Escasa evidencia de un incremento de la producción
http://www.icrisat.org/journal/SpecialProject/sp3.pdf
Otros transgenes para el fitomejoramiento por tolerancia a sequía
Transgen Referencia
cDNA de arginina decarboxylasa de avena (→poliamina) Bassie et al. 2008
Glutamato dehidrogenasa(gdhA) de la Escherichia coli Lightfoot et al. 2007
“Cold shock proteins” (CSPs) de las bacterias Castiglioni et al. 2008
Fosfatidilinositol-específica fosfolipasa C (PI-PLC)
Zhai et al. 2005 Wang et al. 2008
Factor de transcripción ortólogo de maíz (ZmNF-YB2)
Nelson et al. 2007
Ensayos de campo del evento transgénico muestra un incremento de rendimiento del grano bajo sequía
Descubrimiento Fase 1 Prueba del concepto
Fase 2 Desarrollo inicial
Fase 3 Desarrollo avanzado
Fase 4 Prelanzamiento
Lanzamiento
en colaboración con
Maíz testigo Maíz transgénico
Nuevos productos, nuevos retos
• Cultivos transgénicos con tolerancia al estrés abiótico necesitan evaluaciones de bioseguridad y aprobación regulatoria pero los marcos disponibles son el resultado de pensar en la primera generación de transgénicos ( resistencia al insectos con Bt o a virus, y tolerancia a herbicidas)
– Basada en el modelo un gen – un producto
– Muy enfocada en el análisis molecular de la expresión del transgen
– Evaluación del riesgo medioambiental incluye pensar acerca del no-cambio en la competitividad
• Cultivos tolerantes al estrés (por insertar transgenes regulatorios) obligan a nuevas preguntas con respecto a la inocuidad alimentaria, la bioseguridad e impactos ambientales
1. Nuevos fenotipos (la tolerancia al estrés puede resultar en mayor competitividad)
2. Impactos en ambientes no usados previamente, y la composición de los productos cosechados y el impacto en la nutrición humana
©Willy De Greef@IPBO-2005
Otros impactos del cambio climático sobre la agricultura del Perú: patógenos y pestes
• Como impactos están las sequías o las precipitaciones fluviales excesivas que llegan a afectar directamente el desarrollo de los cultivos. Sin embargo, el impacto indirecto ha sido más importante porque favoreció el desarrollo de las plagas en condiciones de sequía y las enfermedades en las condiciones lluviosas
• Un estudio realizado en Cañete reveló que aumento de la temperatura ocasionó un aumento del 45% de las plagas en 1996-1997 y de 34 % en 1996-1998. La incidencia de las enfermedades se incrementó en 42 y en 67% respectivamente en los mismos periodos. "Como consecuencia de estos cambios (…) el rendimiento del valle bajó en promedio 57% en 1996-1998 “
Fuente: Comunicación Nacional del Perú a la Convención de Naciones
Unidas sobre Cambio Climático, Consejo Nacional del Ambiente (CONAM), Lima, Perú, junio de 2001. p. 93
¿Punto final …?
• La soberanía nacional y la seguridad alimentaria son lo primero
• Los cultivos transgénicos tienen su función pero no son una panacea
• Los sectores privado y público tienen papeles complementarios en la agricultura
• También hay otras prioridades y existen otros productos para las cadenas de valor