la biotecnología en la agricultura del futuro...p3 lab research services ... informe pwh: el futuro...
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Juan C. del Pozo SubDirector CBGP (UPM–INIA)
Universidad Politécnica de Madrid (UPM) –
Instituto Nacional de Investigación y
Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA)
La Biotecnología en La Agricultura del futuro
III Congreso sobre
Fertilización
Madrid 25 Septiembre 2019
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MAIN BUILDING Main Building: 7.391 m2
CBGP Facilities and Research Services
P3 Lab
Research Services
Microscopy and Cell Biology.
HT metabolomics platform.
P3 biological containment facility.
Fermenter (200 L)
Electrophysiology Lab.
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Plant Growth Facilities
Surface 542 m2
Laboratory 123 m2
Plant Growth surface 350 m2
Sustainable Greenhouses
Surface 1,200 m2
Greenhouses 611 m2
Biosafety P2 (x GMOs) 200 m2
Research Services: Plant Growth Facilities/Greenhouses
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Uno de nuestro compromisos: contribuir a alcanzar los ODS
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Las plantas son la base de la vida .. (y la sociedad)
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Importancia de la agricultura en la sociedad y la economía
Participación biotecnología vegetal
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Los retos de la agricultura 2050: Cantidad y Calidad
CRECIMIENTO POBLACIONAL
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Terreno arable
INCREMENTO
PRODUCCIÓN
SOSTENIBLE
La superficie cultivable es finita
Tierras con potencial de incorporación al sistema de producción
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El frágil equilibrio entre el bienestar y la sostenibilidad
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¿ES POSIBLE ALIMENTAR
A LA POBLACIÓN MUNDIAL
DE UNA FORMA SOSTENIBLE?
¿Y DENTRO DE 50 o 100 AÑOS?
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Sector agrícola
Viable, competitivo innovador
Sostenibilidad
económica
Aumento producción
Mejorar la eficiencia
Orientación al mercado
Reducción costes
Sostenibilidad
social
Incremento calidad
de trabajo
Empleo de calidad
Mejora de las Técnicas
Sostenibilidad
medioambiental
Mejora de la eficiencia
del uso de recursos
Mitigación cambio climático
Mejora/adaptación de los
cultivos
Ciencia y sostenibilidad del sistema agrícola
Biotecnología vegetal
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Respuesta posiblemente sea multidisciplinar, pero sin duda el uso de
la Biotecnología en su mas amplia definición será necesaria para
alcanzar estos objetivos.
¿Cómo lo podemos hacer?
Investigación sobre
las necesidades
actuales y futuras
Transferencia de
Conocimiento a las
empresas sector agro-
alimentario
Desarrollo de
Herramientas
Biotecnológicas
Investigación
Cooperación Implementación
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Informe PWH: “El futuro del sector agrícola Español” 2018
Principales preocupaciones del sector agrícola
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RSA: Arquitectura del sistema radicular Nutrientes: factor limitante del crecimiento y producción
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Sistema radicular vs parte area
Producción
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El sistema radicular es esencial para la nutrición vegetal
La formación y disposición de las
raíces en el suelo es importante para
la captación de nutrientes y agua
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Condiciones
del suelo
microbes
Nutrientes
H2O
Salinidad,
etc
El sistema radicular es esencial para la nutrición vegetal
La formación y disposición de las raíces en el suelo
es importante para la captación de nutrientes y agua
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Microorganismos
fijadores de nitrógeno
RSA: Arquitectura del sistema radicular Interacción raíz-organismos
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Fijación de Nitrógeno
Pros: barato y eficiente 170 millones Tn /año
Cons: Rhizobium solo infectan a una
determinado grupo leguminosas y de
especies próximas a las leguminosas.
Reacción química Haber Bosch
Alta temperatura
Alta presión
Costoso
70 millones Tn/año
Producción de Nitrógeno
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Erik Stokstad Science, 20 VOL 353 ISSUE 6305
Fijación de Nitrógeno en cereales: ¿un sueño o una realidad?
Aproximaciones:
Reestablecer las señales en los
cereales para que interaccionen
con las bacterias fijadoras
Introducir los genes de la
nitrogenasa en los cereales
(Transgénesis)
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Effect of the inoculation with Pf-5 X940 on (a) Arabidopsis growth and (b) ammonium
production.
Setten L, Soto G, (2013)
Biología sintética: Fijación de Nitrógeno por bacterias
Introducción de los genes nif (fijadores de N
atmosférico) en la bacteria Pseudomonas
protegens Pf-5. Su inoculación permite la
supervivencia de plantas de Arabidopsis sin
fuente de nitrógeno.
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22
INFORMACION PARA RESPONDER A UNA NECESIDAD
RESPUESTA A LO QUE ESTÁ PASANDO O CREEES QUE ESTÁ PASANDO
CONSTRUCTORES DE LA RESPUESTA LO QUE HA PASANDO
LO QUE ESTA PASANDO
EFECTO DE LO QUE HA PASADO
Genes al Servicio de la agricultura
consumidor
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Genes y la evolución de la agricultura
SlMYB12
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24
Secuenciación de genomas Información para
responder a una necesidad
Método Sanger
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Coste actual genoma humano
<1,000 €
NGS
https://www.genome.gov/
Genómica masiva
+200,000 proyectos
+50,000 eucariotas https://gold.jgi.doe.gov/statistics
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Los genomas vegetales contienen la información para el futuro de la agricultura
Se han secuenciado los genomas de los
principales cultivos agrícolas
(tenemos el “código fuente”)
la nueva revolución genómica
verde “inteligente”
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Evolución de la superficie de cultivos
transgénicos (izquierda, millones de
hectáreas) y distribución de la superficie
entre los países (derecha
Transgénicos: repercusión en la agricultura y la sociedad
181,5 millones de hectáreas
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Disponemos de herramientas
(CRISPR/Cas9) muy precisas
para EDITAR LOS GENOMAS
e introducir mutaciones o
modificaciones de los genes
La edición génica está revolucionando la biotecnología
Mutaciones
Regulación de
la expresión
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La edición génica está revolucionando la biotecnología
TALEN: (Transcription
Activator Like Effector
Nucleases)
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Ejemplos de éxito de la edición génica
manzano
yuca
vid
Banana
naranja
Caña de azucar
Fresa
Patata
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Fósforo es un nutriente esencial
Membrane phospholipids
DNA and RNA
ATP
Phosphorus (P) is
assimilated and used as
phosphate (Pi) which
depending on the pH is
H2PO4- ,HPO4
2- or PO43-
H H H
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RSA: Arquitectura del sistema radicular La deficiencia de Pi reduce severamente la producción agrícola
No phosphate
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Las plantas absorben un pequeño porcentaje del Pi aplicado
en los fertilizantes
El fosfato: Macronutriente que se
extrae. Recurso limitado (100 años??)
Producción en industria a
apartir de fosfato calcico:
Ca3(PO4)2 + H2SO4 → H3PO4 +
CaSO4 (yeso).
Pocos productores: China,
USA y Marruecos
Caro y limitado
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Búsqueda de nuevos genes, rutas, metabolitos
o microorganismos
1) Desarrollar nuevas variedades que absorban mas Pi en
suelos pobres, reduciendo la fertilización. Mejora
genética clásica; transgénicas; edición génica.
2) Desarrollo de nuevas tecnologías para reciclar el Pi de
los residuos urbanos y agrícolas. Costoso
3) Desarrollo de nuevos fertilizantes más eficientes.
RSA: Arquitectura del sistema radicular Nuevas estrategias para prevenir o retrasar la crisis del Pi
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Economía circular: Bioremediación-nutrición
Uso de especies vegetales como biofactorias
descontaminantes-productoras de nutrientes
Identificación
de variedades
mas eficientes
y adaptadas
Bioremediación
de purines
Producción de
proteína vegetal
Biofertilizantes
Desarrollo de
biofactorias
Variabilidad
Natural Generación
de mutantes
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Fosfitos son sales de ácido fosfórico con el fosforo en estado reducido (+3)
Phosphite Phosphate Fosfitos (Phi), Phi se propuso como fertilizante alternativo - La solubilidad es menos dependiente del pH. - Es menos reactivo con compuestos del suelo. Mayor cantidad en forma libre -No es toxico para los humanos o animales
RSA: Arquitectura del sistema radicular El Fosfito (Phi) no puede ser usado por las plantas
sin embargo no puede ser metabolizado por las plantas, Se usa como fungicida, ya que no puede ser metabolizado, pero compite con fosfato
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Substrate specificity of PTXD
RSA: Arquitectura del sistema radicular P. Stszeri es capaz de metabolizar fosfito y generar fosfato
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TRA
NSG
ENIC
C
ON
TRO
L NO Pi PHOSPHATE PHOSPHITE
0 20 40 80 20 40 80 mg.kg
RSA: Arquitectura del sistema radicular Tabaco transgénico metaboliza Phi
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No P Pi Phi
Phi effectively
promotes
transgenic
plant growth
while
reducing
weed growth.
López-Arredondo and Herrera-Estrella, Nature Biotechnology 2012.
RSA: Arquitectura del sistema radicular Plantas PTXD fertilizadas con Phi no tienen malas hierbas
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Weeds are not killed, but
grow slowly and do not
compete with your crop
RSA: Arquitectura del sistema radicular Phi controla el crecimiento de las malas hierbas sin matarlas
y generando un manto que evita erosión y excesiva
evaporación
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Lab 180 CBGP: desarrollo radicular
y deficiencia de fosfato
Nuevos sistemas de crecimiento
D-Root®
Root-cooler®.
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Las deficiencias nutricionales modulan la arquitectura radicular
Den Herder et al. (2010)
+Pi -Pi
Gruber et al., 2013
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La iluminación de la raíz afecta negativamente la respuesta a la deficiencia de Pi
-Pi (2µM) Reducción del crecimiento radicular
Pelos radicales más largos
Incrementa la densidad de raíces laterales
el ratio raíz/parte aérea
Mas antocianinas
Cambios metabólicos
Pi
Silva et al. 2019, New Phytologist
Deficiencia de fosfato
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Mapa de riesgo de desertificación de España
Crecimiento
Floración
Respuesta a patógenos
¿Efecto sobre la fertilización,
la nutrición de la planta o la
Interacción con el microbioma?
Cambio climático: efecto sobre la nutrición vegetal
35
35ºC
35ºC
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Shoot 35ºC ---------------- Root 22ºC
35ºC ---- 35ºC
Incrementos de temperatura reduce el sistema radicular y la acumulación de Pi (en invernaderos….)
Root-Cooler®.
Incrementos de temperatura en el aire no se traduce en
incrementos similares en el suelo, ya que este amortigua
la temperatura. El sistema Root-Cooler® permite analizar
el efecto del exceso de temperatura con el sistema
radicular en un a Tª amortiguada, como ocurre en la
naturaleza
0
5
10
15
nm
ol P
i/pla
nta
hoja raíz
hoja raíz
hoja raíz
35/22ºC 22/22ºC 35/35ºC
35ºC ---- 22ºC
35ºC ---- 35ºC
300 genes cambian la expresión
>1000 g
enes c
am
bia
n la e
xpre
sió
n
>200 g
enes
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Incrementos de temperatura en la raíz reduce tamaño y acelera la floración
35ºC ---- 22ºC
35ºC ---- 35ºC
Plantas de 4 semanas:
Análisis con Root-Cooler® muestran que incremento de Tª sobre la
raíz afecta al desarrollo de la parte aérea, reduciendo el crecimiento
y acelerando la floración.
Invernadero Root-Cooler® Invernadero control
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Las formación de micorrizas favorecen la toma de Pi
La hifas de los
hongos extienden
el área de
absorción de
recursos
Protegen contra
patógenos
Incrementan la
resistencia a
estreses
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Uso del Root-Cooler® es idóneo para estudiar la interacción raíz-microbiota
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Rastreo de sustancias químicas:
- De origen natural
- Nº limitado
- Sintéticas
- Alto número
- Problemas legales, seguridad alimentaria y medio-ambiental
Medio
completo Medio
con bajo
fosfato
Plantas con marcadores de respuesta nutricional
Adicción
químicos
Control
A
B
C
β -Glucuronidasa pIPS1
pIPS1::GUS
RSA: Arquitectura del sistema radicular Nuevas estrategias
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BiAux
BiAux, un nuevo químico que potencia el crecimiento radicular
Biological Activity
Chemical synthesis in lab
BiAux BiAux-I
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BiAux
BiAux
BiAux incrementa específicamente la formación de raíces laterales
Colaboración con TimacAgro (Roullier group)
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solvente BiAux
1 mM
BiAux también incrementa el Sistema radicular en tomate
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Control 1 mM BiAux 1 mM BiAux
Fw
(g
r) r
oo
t/p
lan
t
solvente BiAux
1 mM
Colaboración con TimacAgro (Roullier group)
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0
5
10
15
20
25
30
7 8 9 10 11 12 14 16 18 20
Weeks of treatment
Nº
tom
ate
s/1
0 p
lan
ts
* *
*
*
*
Control 1 mM BiAux
control
BiAux
control BiAux
2 w 5 w
BiAux acelera la producción de frutos
Colaboración con TimacAgro (Roullier group)
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BiAux regula la expression génica BiAux regula la expresión génica
Parte de los cambios son similares a los
inducidos por la deficiencia de Pi
Colaboración con TimacAgro (Roullier group)
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