uruguay: mejoramiento genético vegetal en inia y edición
TRANSCRIPT
URUGUAY: Mejoramiento genético vegetal en INIA y edición génica
Dra. Victoria BonnecarrereUnidad de Biotecnología, INIA Las Brujas
Taller Regional:Edición génica en cultivos y ganadería para América
Latina y el Caribe. Fondo semilla – Fontagro
• Aprox. 25 % presupuesto de INIA es para Mejoramiento Genético Vegetal.
• Mejoramiento en: • Soja
• Arroz
• Trigo
• Cebada
• Citrus
• Fruticultura
• Forestal
• Horticultura
• Forraje
URUGUAY: Mejoramiento genético vegetal en INIA
• Aprox. 25 % del presupuesto de INIA es para Mejoramiento Genético Vegetal.
• Mejoramiento en: • Soja
• Arroz
• Trigo
• Cebada
• Citrus
• Fruticultura
• Forestal
• Horticultura
• Forraje
URUGUAY: Mejoramiento genético vegetal en INIA
• Alta variabilidad interanual del rendimiento de grano
URUGUAY: Mejoramiento genético de soja en INIA
Objetivos de mejoramiento 2017 - 2021
GM soybean(Glypfhosate
Resistant)
• Yield-Adaptation-Stability
• Diseases resistance
• Drought Tol; FloodTol
Non GMO soybean
• +
• Grain Quality (Prot)
• Food Grade Soybean
“Commodity” Market
“Specialty” Market
URUGUAY: Mejoramiento genético de soja en INIA
3 Localidades (La Estanzuela, Mercedes, Young)
15 Has. Field Experiments
2 Fechas de siembra/Localidad
URUGUAY: Mejoramiento genético de soja en INIA
Crossing Block (INIA LE): 120-150 parental combinactions/year F1 – Winter Generación (INIA LE)
F3 –Winter Generation (INIA SG)Progeny Rows F4:5 – RR /conv (INIA LE) . 8000-10000 rows/year
Crossing Block
Generationadvance
SSD/SPD
Plant selectioon.
Progeny rows
Field evaluation
Developmentof comercial
varieties
PMGSRed Nacional de
BiotecnologiaAgropecuaria (RNBA)
Biotic and abioticstresses
High thoughputphenotyping. Genomic
tools.
INNOVAGROBiotic and abiotic
stressesHigh thoughput
phenotyping. Genomic tools
JIRCAS (JAPON)
Soybean Rustmarker assitedbackgrossing
program
PROCISURBiotic and
abioticstresses
High thoughput
phenotyping.
Gene introgressionagreements
for agronomictraits
INIA-Fcien-JKI (Germany) GenomicEdition
INIA-CAASGenetic
variability, breding methods
Food grade soybeans
Transformationevents
Agreements withU. MissouriU. Arkansas
U. TennesseePrivate breeding
comp.Germplasm
OTHERS
Fenotipado estrés abiótico
Transformación
de soja
Genes de respuesta a
enfermedadesEdición génica
Desarrollo de poblaciones
Genotipado y mejoramiento
molecular
MEJORAMIENTO GENÉTICO DE SOJA
El propósito de la Red Nacional de Biotecnología Agrícola es contribuir al incrementode la productividad y adaptabilidad de la soja. Para ello se implementaron plataformasque incorporaron herramientas modernas de mejoramiento genético enfocadas a lamejora de la tolerancia a estrés abiótico y biótico.
Colección de
Germoplasma de
interésGenotipo
Programa
mejoramiento de soja
MarcadoresMapeo
genético
QTL
Genes candidatos
SNPs Transgénesis
Edición
genica
Predicción de
cruzas
Mejoramiento
AsistidoSelección
genómica
Expresión diferencial de
genes en genotipos
contrastantes
Fenotipo
Rendimiento
Resistencia a
enfermedades
Tolerancia a
sequía
Modelos de
predicción
de respuesta
BioinformáticaCalidad del grano
Edición génica en el contexto del mejoramiento genético de soja
Colección de
Germoplasma de
interésGenotipo
Programa
mejoramiento de soja
MarcadoresMapeo
genético
QTL
Genes candidatos
SNPs Transgénesis
Edición de
genoma
Predicción de
cruzas
Mejoramiento
Asistido
Expresión diferencial de
genes en genotipos
contrastantes
Fenotipo
Rendimiento
Resistencia a
enfermedades
Tolerancia a
sequía
Modelos de
predicción
de respuesta
BioinformáticaCalidad del grano
Edición génica en el contexto del mejoramiento genético de soja
Selección
genómica
Colección de
Germoplasma de
interésGenotipo
Programa
mejoramiento de soja
MarcadoresMapeo
genético
QTL
Genes candidatos
SNPs Transgénesis
Edición de
genoma
Predicción de
cruzas
Mejoramiento
Asistido
Selección
genómica
Expresión diferencial de
genes en genotipos
contrastantes
Fenotipo
Rendimiento
Resistencia a
enfermedades
Tolerancia a
sequía
Modelos de
predicción
de respuesta
BioinformáticaCalidad del grano
Edición génica en el contexto del mejoramiento genético de soja
Aislamiento de genes
de tolerancia a sequía
a partir de líneas de
soja tolerantes Gen de
línea
tolerante
ADN +
partículas
de oro
Transformación de
soja con bombardeo
de partículas
Fenotipado
de planta
“intragénica”
Transgénesis/tolerancia a sequía
Incremento de la tolerancia a sequía en plantas de soja intragénicas
Se identificaron genes asociados a
tolerancia a sequía en variedades de
soja contrastantes para este fenotipo
Tolerante Sensible
Transgénesis/tolerancia a sequía
Producción de plantas de Arabidopsis
transgénicas conteniendo diferentes
genes de soja asociados a tolerancia
a sequía.
Control
Transg.
Transg.
Dos de los genes evaluados
incrementaron significativamente la
tolerancia a la deshidratación en
plantas de Arabidopsis transgénicas.
Riego
permanente
Riego
interrumpido
Se estudió la función de los genes
identificados mediante su intro-
ducción en plantas modelo.
Transgénesis/tolerancia a sequía
Fenotipado de líneas de soja transgénicas (intragénicas).
Parámetros evaluados:
Biomasa vegetativo
Biomasa reproductivo
Número de granos
Peso de granos
Area y peso foliar
Area y peso radicular
Conductancia estomática
Fotosíntesis
Interrupción del riego
Interrupción del riego
Transgénesis/tolerancia a sequía
La introducción de una copia adicional de uno de los genes
identificados estimula el desarrollo radicular en sequía.
Sin
riego
Con
riego
Co: Variedad convencional
Tr-1: Línea transgénica 1
Tr-2: Línea transgénica 2
Tr-3: Línea transgénica 3
CoTr-1 Tr-2 Tr-3
Transgénesis/tolerancia a sequía
PCT application number PCT/EP2018/086228
METHODS FOR IMPROVING PLANT ABIOTIC
STRESS TOLERANCE AND YIELD
Bolivia
SP-000274-2018 MÉTODOS PARA MEJORAR LA
TOLERANCIA AL ESTRÉS ABIÓTICO EN
PLANTAS Y EL RENDIMIENTO DE LAS MISMAS
Paraguay
Nº 18111986 – MÉTODOS PARA MEJORAR LA
TOLERANCIA AL ESTRÉS ABIÓTICO EN
PLANTAS Y EL RENDIMIENTO DE LAS MISMAS
USA Patent application: WO2019122146
METHODS FOR IMPROVING PLANT ABIOTIC
STRESS TOLERANCE AND YIELD
Patentamiento de genes para
incrementar tolerancia a sequía
Uruguay y Argentina
Adaptación e implementación de la tecnología CRISPR/Cas9 en soja
Mutagénesis dirigida en el genoma de soja
mediante edición genómica (EG)
https://doi.org/10.1016/j.copbio.2014.11.007
Edición genómica de soja: CRISPR/Cas9
Transgénesis para introducir
los componentes del sistema
a las células vegetales
Edición genómica
libre de ADNA B
DiseñoProducción de
Cas9 recombinanteIntroducción Genotipado
Estrategia: Edición genómica libre de ADNB
ARN guía
Blanco
Evaluación
in vitro
Cas9
Secuencia
guía
ARNg
Estrategia: Edición genómica libre de ADNB
Secuencia
guía
ARNg
E E E
Diseño de 2 ARNg para cada gen y
producción mediante transcripción in vitro
DiseñoProducción de
Cas9 recombinanteIntroducción Genotipado
Evaluación
in vitro
Estrategia: Edición genómica libre de ADNB
DiseñoProducción de
Cas9 recombinanteIntroducción Genotipado
Evaluación
in vitro
MBP
SpCas9
IMAC IEX
SEC
+TEV
Proteína pura
IEX SEC
Cromatografía
de afinidad a
iones metálicos
Cromatografía
de intercambio
iónico
Cromatografía
de exclusión
molecular
DiseñoProducción de
Cas9 recombinanteIntroducción Genotipado
Estrategia: Edición genómica libre de ADNB
Evaluación
in vitro
+
- +
Ensamblado de la
Ribonucleoproteína
(RNP)
Ensayo de corte in
vitro sobre
fragmento de gen
blanco
Determinación de la eficiencia
de corte
Estrategia: Edición genómica libre de ADNB
Producción de
Cas9 recombinanteGenotipado
Evaluación
in vitroIntroducciónDiseño
Transformación
de protoplastos
(PEG) con RNP o
ARNm/ARNg
Transformación de embriones
somáticos (biolística) con RNP
o ARNm/ARNg
Transformación de flores con
RNP o ARNm/ARNg
Estrategia: Edición genómica libre de ADNB
Transformación
de protoplastos
(PEG) con RNP o
ARNm/ARNg
Transformación de embriones
somáticos (biolística) con RNP
o ARNm/ARNg
Transformación de flores con
RNP o ARNm/ARNg
Edición genómica / Líneas de trabajo
Tolerancia a sequía: mutagénesis
dirigida para anular genes de
senescencia inducida por estrés.
El déficit hídrico
provoca senescencia
prematuraSEQUÍA
La senescencia es un
proceso activo
activación de un gen que
actúa en la degradación
de los cloroplastos
célula
vegetal
PRODUCIR SOJA NO TRANSGÉNICA PARA
CONSUMO HUMANO, EDITADA PARA
CARACTERES DE CALIDAD:
OBJETIVOS:
Eliminar genes de factores anti
nutricionales (aglutinina)
Mejorar el perfil de carbohidratos
Mejorar perfil de proteínas y aminoácidos
(Metionina y Cisteína)
Edición genómica / Calidad de grano
Edición genómica / Calidad de grano
Mutagénesis dirigida para anular genes
de proteínas anti nutricionales
Generación de mutaciones KO en
el gen SBA (soybean agglutinnin).
SBA:
• Lectina, de unión a oligosacáridos
(N-acetil galactosamina).
• Resistente a la degradación.
• SBA se une a las células epiteliales
del intestino de animales
monogástricos causando
inflamación y otros efectos.
• Principal factor antinutricional de
soja.
Soja
SBA no degradada
Interferencia con flora intestinal
Unión a células epiteliales
Inhibición del sistema inmune
Daño estructural de las células epiteliales
Int. J. Mol. Sci. 2018, 19, 554; doi:10.3390/ijms19020554
Edición genómica / Calidad de grano
Proteína Sacarosa
aceite
Rendimiento
Ácido oleico
Refinosa Estaquiosa
Cisteína
Alta BajaTemperatura
Correlaciones entre
rendimiento y distintos
componentes de la
semilla. Theor Appl Genet
(2017) 130:1975–1991
DOI 10.1007/s00122-017-
2955-8
Mutagénesis dirigida para:
Mejorar la composición
de carbohidratos en grano
(aumentar sacarosa, dismi-
nuir rafinosa y estaquiosa).
Aumentar la proporción
de proteínas con mayor
contenido de amino ácidos
azufrados (metionina y
cisteína)
(glicinina/conglicinina)
1
2
• Mejoramiento genético de soja
• Mejoramiento genético de citrus
• Mejoramiento genético de hortalizas
URUGUAY: Edición génica en plantas
Tipo de NBT Cultivo Rasgo Nivel de desarrollo
Cisgenia Soja Tolerancia a sequía Confirmación a nivel de fenotipo
Edición mediante CRISPR
Soja Componentes antrinutricionales del grano
Inicio del proyecto (julio, 2017)
Edición mediante CRISPR
Soja Tamaño del grano Inicio del proyecto (julio, 2017)
Edición mediante CRISPR
Tomate Contenido de licopeno en frutos
Inicio del proyecto (julio, 2017)
Edición mediante CRISPR
Mandarina Contenido de licopeno en frutos
Inicio del proyecto (julio, 2017)
Tabla 1: Estado del arte y nivel de desarrollo de NBT’s en INIA Uruguay con el Laboratorio de Biología Molecular Vegetal de la UdelaR. Grupo de trabajo: Sabina Vidal, Victoria Bonnecarrere, Ana Arruabarrena, Sergio Ceretta, Luciana Fleitas, Juan Pablo Gallino.