César P. Martínez - CINAP · 2016-05-07 · The daily range in temperature increases from 12.63oC to 13.76oC The length of the dry season decreases from 6.78 months to 6.46 months

Tendencias en el Mejoramiento Genético del Arroz en los Países del FLAR para Variedades

Convencionales y Biofortificadas

César P. MartínezLíder Programa Arroz - CIAT

Agricultura Eco-eficiente para el trópico

Conferencia Magistral VICongreso Ingenieros Agrónomos

Panama Octubre 8, 2009

Desafíos• 1. Crisis alimentaria (precios alimentos

básicos). • 2. Crisis financiera internacional

(escasez créditos, menor crecimiento (escasez créditos, menor crecimiento economía, desempleo,etc.)

• 3. Cambio climático (inestabilidad, adaptabilidad cultivos, rendimiento, ataques enfermedades e insectos, calidad,etc.)


AREA* DE MAIZ, SOYA, TRIGO Y ARROZ A NIVEL MUNDIAL

2006 2007 2008

Maiz 149,8 160,5 157,8Soya 94,2 90,8 98,2Trigo 213,0 218,2 224,2Arroz 153,9 154,3 155,6

*Millones de Hectáreas Fuente : USDA


CRECIMIENTO DE LA POBLACION POR NIVEL DE DESARROLLO, 1950 – 2050.

Fuente: ONU World Population Prospects

REGIONES MENOS DESARROLLADAS

REGIONES MAS DESARROLLADAS

INVENTARIOS DE ARROZ PADDY A NIVEL MUNDIAL, 1985 -2009

Fuente: USDA, FAO.

Tasas de Crecimiento porRegiones en América

Variable Caribbean Central North South

Yield 1.70 1.79 1.24 2.17

Production 3.01 1.48 2.72 2.42Production 3.01 1.48 2.72 2.42

Harvested area 1.32 -0.31 1.48 0.25

Comsumption

(paddy)2.87 3.46 -- 2.88

Food (milled) 2.81 3.33 4.49 2.56

Population 1.46 2.41 1.04 2.05


PRECIOS DE FERTILIZANTES ENCOLOMBIA, 2008

ENERO SEPTIEMBRE INCREMENTO

PROMEDIO NACIONAL

Pesos / Tonelada

Fuente: FedearrozNota: Los Precios Incluyen Fletes Nacionales

ENERO SEPTIEMBRE INCREMENTO

UREA 1.355.667 2.116.000 56,09%

DAP 1.918.667 2.949.333 53,72%

KCL 1.527.333 2.573.200 68,48%


The daily range in temperature increases from 12.63 oC to 13.76oCThe length of the dry season decreases from 6.78 mo nths to 6.46 monthsThe coefficient of variation of predictions between models is 5.54% for temperature and 14.03% for pre cipitation

Temperatures increase, with a mean increase of 2.74 oCThe maximum temperature of the hottest month increa ses from 34.36oC to 38.28oCThe minimum temperature of the coldest month increa ses from 14.98oC to 17.1oC

The rainfall increases from 1089.37mm to 1186mmThe wet season gets wetter with 573.56mm instead of 217.21mm in the wettest quarter and is 2.53oC hott erThe dry season gets wetter with 11mm in the dryest quarter and an increase in temperature of 3.06oCOverall this climate becomes less seasonal in terms of variability through the year in precipitation

120

140

160

Pre

cipi

tatio

n (m

m)

30

35

40

Tem

pera

ture

(oC

)

Current PrecipitationFuture PrecipitationMax T CurrentMean T CurrentMin T CurrentMax T FutureMean T FutureMin T Future

These results are based on the 2050 climate compare d with the 1960-2000 climate. Future climate data is derived from 12 GCM models from the 4th IPCC assessment, ru n under the A2a scenario (business as usual).

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Month

Pre

cipi

tatio

n (m

m)

0

5

10

15

20

25

Tem

pera

ture

(oC

)

Rice

Región PaísCambio en

Precipitación total (mm)

Cambio en Temperatura

media anual (°C)

Cambio en estacionalidad

de precipitación

Cambio en meses consecutivos

secos

Coeficiente de variación de

precipitación (%)

Coeficiente de variación de

temperatura (%)

Argentina 49.20 2.13 6.54 0 10.24 4.82Belize -144.82 2.19 2.84 0 7.60 3.23Bolivia -13.99 2.84 5.08 0 7.77 4.32Brazil 7.91 2.55 0.90 0 5.87 3.90Chile -98.65 1.90 4.91 0 8.21 5.66Colombia 50.02 2.38 -2.58 -1 6.00 3.54Costa Rica -64.88 2.07 -0.45 0 7.38 2.38

CAMBIOS ESTIMADOS EN PRECIPITACION Y TEMPERATURA (2000-2010)

Costa Rica -64.88 2.07 -0.45 0 7.38 2.38Ecuador 118.39 2.08 -4.85 0 6.52 2.69El Salvador -55.86 2.30 -2.92 0 7.46 3.32French Guiana -126.42 2.51 4.31 0 14.19 4.47Guatemala -99.44 2.37 1.08 1 5.24 3.56Guyana -135.17 2.37 5.94 0 12.75 3.62Honduras -116.71 2.31 2.57 0 7.93 3.27Mexico -63.83 2.34 -0.97 0 4.73 3.51Nicaragua -120.54 2.29 -0.08 0 9.20 2.80Panama 4.91 1.83 -2.04 0 6.48 2.53Paraguay -1.20 2.60 5.19 0 7.93 4.60Peru 81.82 2.51 -4.21 0 5.52 4.35Suriname -120.69 2.24 6.44 1 14.30 3.54Uruguay 73.53 1.86 7.25 -1 6.80 4.91Venezuela -12.40 2.70 -3.00 0 9.34 4.10

Norte América United States -39.20 2.78 4.69 0 6.89 5.53

América Latina

CIAT:Qué Pueder Hacer?

• Crisis alimentaria: Productividad + Nutrición.

• Crisis financiera: Muy poco ó nada. Promover Plataforma Regional Promover Plataforma Regional Investigación y Desarrollo.

• Cambio climático: Desarrollar germoplasma arroz mas eficiente uso del agua y nitrógeno. Tolerancia temperaturas altas.


Metas y Objetivos Estratégicos Arroz

• Objetivo General:Mejorar la sostenibilidad de la producción de arrozen LAC, generando seguridad alimentaria,aumentando los ingresos y mejorando la salud,aumentando los ingresos y mejorando la salud,mediante sistemas eco-eficientes de producción enlos trópicos con énfasis en aumentar las opcionespara los medianos y pequeños productores.Desarrollar y fortalecer alianzas en la región, comoforma de mejorar la capacidad de llegada de losproductos tecnológicos a sus destinatarios finales.


Objetivos Específicos

• Desarrollo de líneas con mayor rendimiento y valor nutricional.

• Utilización de especies y poblaciones sintéticaspara el desarrollo de germoplasma mas adaptado alcambio climático manteniendo alto potencial decambio climático manteniendo alto potencial derendimiento, tolerancia a principales plagas yenfermedades, buena calidad de grano.

• Desarrollo de líneas con mayor eficiencia en el usodel agua y del nitrógeno complementando elmejoramiento convencional con selección asistidapor marcadores (SAM) y transgénicos.


Objetivos Específicos

• Desarrollo de un proyecto regional demejoramiento de arroz híbrido apoyado poruna alianza público-privada amplia.

• Promover la mejora en las prácticas de• Promover la mejora en las prácticas demanejo del cultivo mediante programas detransferencia de tecnología, procurandocerrar la brecha tecnológica, trabajando enconjunto con los INIAs, asociaciones deagricultores y el sector privado.


Estrategias

• Lanzamiento de un Consorcio CIAT-FLAR-EMBRAPA. CNPAF-CIRAD/IRD + NARs + Sector Privado.

• Alianza IRRI-CIAT-WARDA. • Alianza IRRI-CIAT-WARDA.

• Temas principales: Investigación, transferencia tecnologías, capacitación nueva generación de investigadores.

• Combinación métodos tradicionales con herramientas de Biotecnología -SAM


1. Cambios en el tipo de planta (NTP-IRRI)-Khush,1990

2. Desarrollo de híbridos (Yuan y Virmani, 1986)

3. Mejoramiento poblacional -Selección Recurrente

(Fujimaki,1979)

4. Utilización de genes derivados de las especies silvestres

Estrategias de MejoramientoEstrategias de Mejoramiento

4. Utilización de genes derivados de las especies silvestres

(Xiao et al, 1998; Moncada et al. 2001)

5. Calidad de grano (calidad Culinaria, biofortificación,

agroindustria).

6. Super híbridos

7. Combinación e integración parte fenotípica con parte

molecular. Gran reto por delante.


Secuenciación del Genoma del Arroz …una puerta abierta para el mejoramiento del cultivo

(Nature 436(11):793-800)

El genoma del arroz tiene un tamaño de 389 MB del cual el 95% fué secuenciado; se encontraron 37544 posibles genes y 18818 SSR clase I


Los marcadores microsatelites están basados en la capacidad del ADN de replicarse


Mediante los marcadores microsatelites es posible determinar claramente el genotipo de cada

individuo

P1

P2

17

35

36

37

39

56

57

66

71

77

78

79

80

81

88

89Mar/Gen

RM627

RM16416

GS

Polimorfismo de marcadores microsatelites entre Centauro (P1) y F2000 (P2) en geles de acrilamida 4% con tinción con plata CIAT 2009

Electroesferograma obtenido en un secuenciador automatico ABI 3730 de un marcador asociado a resistencia a Piricularia… Jhonson et al 2003. Universidad de Arkansas-US

Homozigoto resistente Pi-ta

Homozigoto susceptible Pi-ta

Heterozigoto Pi-ta


La selección asistida por marcadores moleculares

“La selección asistida por marcadoresmoleculares (MAS) se refiere al uso demarcadores del DNA que estánfuertemente ligados a un loci objetivo(blanco) como un sustituto por y/o paraasistir la evaluación fenotipica…asumiendo que los marcadores puedenpredecir adecuadamente el genotipo”

Desarrollo de la población

Mapeo de QTL´sConstrucción del mapa de ligamiento

Evaluación fenotipicaAnalisis de QTL´s

Validación del QTLpredecir adecuadamente el genotipo”

� Es más sencilla comparada con la evaluaciónfenotípica

� Puede realizarse en etapas tempranas

� No tiene efectos ambientales

� Es posible discriminar entre homocigotos yheterocigotos

� Selección mas segura de genotipos específicos

� Uso más eficiente de los recursos

Validación del QTLConfirmación de la posición y efectos, verificación en otros fondos genéticos

Mapeo fino

Validación de marcadoresEvaluación de marcadores en

genotipos relevantesIdentificación de marcadores

polimorficos clave

Selección asistida por marcadores


Insertar la selección asistida en la rutina del programa

• Tener un método sencillo de extracción de ADN

• Una metodología de amplificación de los fragmentos automatizada

• Una alta capacidad de evaluación genotipica automatizada

Análisis de datos

Selección Nueva generación

Cosecha de tejido

Mejorador

genotipica automatizada

ABI 310 1 capilar 960 genotipos/dia

ABI3730XL 96 capilares = 84503 gen/dia

• Un sistema de identificación confiable para las plantas y el ADN

• Perfecta comunicación entre el laboratorio de biologia molecular y los fitomejoradores en campo

Multiples ciclos

Extracción de DNA

Ensamblage de placas PCR

Huella molecular

de datos de tejido

Biologo Molecular Eathingthon et al 2007


Acumulación de alelos favorables (Piramidación) asistido por marcadores

Ventajas:

• Permite combinar diferentes tipos de resistencia ejm. F

P2

F1

P1 xResistant to Race 1

Susceptible to Race 2

Susceptible to Race 1

Resistant to Race 2

resistencia ejm. resistencia vertical y resistencia horizontal

F2

P1 P2 F1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

P1 P2 F1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

R S R R S R R S R R R R S R R R R R S R

R1

R2

S

S

S R S R R R R S R S R R R R R S S R R R

Line number

Phenotype Race 1

Phenotype Race 2

MARKER 1

MARKER 2


Retrocruzamiento asistido por marcadores

Ventajas:

• Efectiva selección del loci objetivo

Locus objetivo

1 2 3 4

1 2 43

Selección del locus objetivo:

Individuos heterocigotos para el marcador del donador

• Se reduce el arrastre de genes negativos

• Se acelera la recuperación del padre recurrente

1 2 43

1 2 43

Selección Recombinante:

Individuos homocigotos para marcadores del padre recurrente adjacentes al locus objetivo.

Selección Fondo Genético:

Individuos homocigotos para marcadores del padre recurrente en el resto del genoma 20 CM.

Introgresion asistida de genes de resistencia a VHB

Estadístico FEstadístico F

Cruce Fd2000 x WC366Cruce Fd2000 x WC366

Resistencia a VHB

SSR F r2 T(r 2 )

RM335 70.80 0.10 0.32

RM518 77.78 0.07 0.28

RM16368 85.03 0.02 0.30

Cruce Fd50 x WC366Cruce Fd50 x WC366

Resistencia a VHB

SSR F r2 T(r 2 )RM518 155.75 0.03 0.47RM16368 203.45 0.03 0.47RM6770 232.37 0.05 0.48RM16393 176.84 0.03 0.47RM16413 180.27 0.02 0.45RM627 152.74 0.01 0.48RM6487 140.69 0.01 0.48

Uso de germoplasma exótico en el mejoramiento de Arroz

El genero Oryza comprende 24 especies diploides y tetraploides que incluyen los genomas AA, BB,CC CCDD, EE, FF, GG, HHJJ y HHKK; solo dos especies son cultivadas.


Subpopulation structure in O. sativa

Kovach M J et al. PNAS 2009;106:14444-14449

©2009 by National Academy of Sciences

PorcentajePorcentaje de de polimorfismopolimorfismo parapara algunosalgunos cruces de cruces de interésinterés. A y B . A y B correspondecorresponde al al númeronúmero de de accesionesaccesiones con con

laslas cualescuales se se calculócalculó esteeste porcentajeporcentaje..

90.5188.1690.74

222

555

O. sativa x O. barthiiO. sativa x O. glaberrimaO. sativa x O. nivara

% PolimorfismoBAAXB

90.7485.5688.2193.5890.0562.5245.98

22239518

55551329

O. sativa x O. nivara

O. sativa x O. rufipogonO. sativa x O. glumaepatulaO. sativa x O. meridionalisCuringa x Especies silvestresArroz rojo x O. sativaIndica x japonica

Fuente: Julie Alexandra Orjuela Castellanos. Tesis Universidad Tolima, 2006.



Caracter Especie Autor

CMS Esterilidad Genética - Citoplasmática Oryza sativa f. spontanea Lin and Yuan, 1980

Genes para rendimiento O. longistaminata IRRI, 2005

Genes para rendimiento O. rufipogon Xiao et al 1998 Genetics 150: 899-909

Resistencia a Virus - Enanismo O. nivara Brar y Khush 2002

Resistencia al tizon bacteriano Xanthomonas oryzae

O. longistaminata

O. minuta

O. latifolia

Brar y Khush 2002

Resistencia Brown Planthopper O. oficinalis

O. minuta

O. latifolia

O. australiensis

Brar y Khush 2002

Pi-9 Resistencia Piricularia O. minuta Sitch et al 1989

Resistencia a Sogata y Hoja Blanca O. latifolia CIAT 2006


Esquema de MejoramientoEsquema de Mejoramiento

Material Local(P. Recurrente)

Especies Silvestres(P. Donador)

Introgresión / Incorporación

RC2/RC3

Familias

F1F1


Generaciones Tempranas

Líneas Avanzadas

RC2/RC3

Familias

Esquema de Mejoramiento (Esquema de Mejoramiento (contcont))

E.E. Santa Rosa

Pyricularia Oryzae

Helminthosporium

SarocladiumRhynchosporium

S. S. TransgresivaTransgresiva

Ensayos Multilocales

Líneas Mejoradasó Progenitores

CIAT-ION

Rhynchosporium

Manchado de grano

Tagosodes

Pyricularia

Rhizoctonia

VHB -

Calidad Grano

Molineria

Polymyxa

Lab./Inv. CIAT-Palmira

Sel. FenotipicaCaract. Interes

SegregaciónSegregación TransgresivaTransgresiva

• Modificación estructural cromosomas (McClintock,1984)

• Genes complementarios

• Rompimiento ligamientos : Tomate • Rompimiento ligamientos : Tomate (L.pimpinellifolium) fruto pequeño, color rojizo). Lineas fruto mayor tamaño y color rojo mas intenso que la variedad comercial.(Tanksley et al,1996)


(BG90-2 / 5980 // Fedearroz 50)

CT17334CT17334

3998


Datos climaticos:Precipitación 6.400mm Temp:25-26 oC H. luz:3 hr/dia; Humedad:86-88%. Baja fertilidad


CaiapoCaiapo x IRGCx IRGC--103544 BC103544 BC33DH linesDH lines

10001000--peso peso granosgranos

Caiapo x IRGC-103544 BC3DH lineas


Selección asistida por marcadores

para aumentar la eficiencia en

la selección

� El programa de arroz del CIAT está orientado a la incorporación de características de interés en genotipos elites, el desarrollo de nuevas técnicas de selección y la

Desarrollo de líneas elites con características adecuadas al mercado de

variedades en LA

Nuevos caracteres de

interés presentes en

especies silvestres y genotipos exóticos

selección y la capacitación de nuevos investigadores

� El FLAR desarrolla nuevos genotipos experimentales con características útiles para ser liberados como nuevos cultivares en sus países socios.


Utilización de Hibridos en Arroz

• El arroz hibrido es la utilización comercial de la semilla resultante del cruzamiento entre dos variedades

Foto: IRGA 2008


Utilización de Hibridos en Arroz

• Poseen una ventaja en rendimiento de entre 15-20%• Presentan una mayor tolerancia a enfermedades y estreses ambientales• Son el vehiculo ideal para las innovaciones tecnologicas• Semilla costosa y deficiente calidad de grano• Requieren un cambio completo en el programa de mejoramiento

Foto: FaMing 2008


El sistema de las tres líneas tiene varios requerimientos

Línea A:

- Esterilidad estable

- Caracteristicas florales que favorezcan la polinización cruzada

- La restauración debe ser facil

Línea B

- Caracteristicas florales bien desarrolladas con gran producción de polen

- Buena habilidad combinatoria general

Línea R

- Fuerte habilidad para restaurar la fertilidad

- Buena habilidad combinatoria general

- Mayor altura que la línea A y buena producción de polén


El sistema de las tres líneas tiene ventajas y desventajas

Ventajas

- La esterilidad masculina es estable

- Existen varios sistemas WA, Gambiaca, etc.

DesventajasDesventajas

- Poca disponibilidad de germoplasma (CMS, restauradores)

- Un solo citoplasma (WA) es utilizado en grandes areas - riesgo

- Varios pasos son necesarios en la producción de semilla hibrida

- El esfuerzo en el mejoramiento de nuevas líneas androesteriles esconsiderable


El sistema de esterilidad termosensible (TGMS) o de dos lineas

EstérilProducción de semilla

Limite reproductivo superior

Temperatura

Alta� Basado en el descubrimiento de un mutante P(T)GMS

de semilla hibrida

Esterilidad Parcial

FértilMultiplicación

Línea S

Limite critico para esterilidad

Limite critico para fertilidad

Limite reproductivo inferior

Baja

� La esterilidad masculina es controlada por uno o dos pares de genes recesivos


El sistema de dos líneas tiene ventajas y desventajas

Ventajas:

� Un sistema simplificado para la producción de semilla hibrida

� Cualquier línea puede ser convertida a androesteril- enorme diversidad de germoplasma

� Mayor probabilidad de encontrar híbridos con mayor heterosis

� Muchas fuentes de citoplasma pueden ser utilizadas como hembras� Muchas fuentes de citoplasma pueden ser utilizadas como hembras

Desventajas

o Algunas condiciones ambientales pueden provocar la falta de pureza en la producción de semilla hibrida


Área sembrada con híbridos en Asia 2007

Pais Bangladesh India Indonesia Filipinas Vietnam China

Total 11200 44000 12165 4250 7305 29230

Riego 4263 22665 7037 2801 3904 27004

Híbridos 300 1100 130 341 650 19000

% Híbridos/Riego

7,0 4,9 1,8 12,2 16,6 70,4Riego

Área sembrada con híbridos en US� 2007 14-16%� 2008 37%

Fuente: FaMing 2008


Los super hibridos Chinos… la promesa del super arroz

� Basados en el concepto del nuevo tipo de planta… pocos tallos, panículas largas, hojas erectas , angostas con forma de V, indice de cosecha de 0.56

� Potencial de rendimiento mayor de 13,5 ton.

Foto: FaMing 2008Foto: FaMing 2008


Los híbridos para América Latina

� RICETEC Inc. Tiene un programa de desarrollo de híbridos para el Cono Sur enfocado en resistencia a herbicidas ( 4 materiales CL)

� IRGA A través de una colaboración con una empresa china � IRGA A través de una colaboración con una empresa china está trabajando en híbridos para RS

� CIRAD trabaja en el desarrollo de híbridos para condiciones de secano en Brasil

� CIAT incluyó en el “Medium Term Plan” la creación de un programa de desarrollo de híbridos en conjunto con el FLAR e IRRI


Arroz modificado genéticamente (GMO)

El uso comercial de arroz modificado genéticamente puede ser unarealidad en los próximos años; el problema es que unas pocascompañías multinacionales dominan las aplicaciones de labiotecnología en la agricultura. En 2002 de 307 patentesDuPont/Pionner 68, Monsanto 33, Syngenta 32 y Bayer 19.


La región produce30% más de los alimentosNecesarios, según la FAO

54

53 53

EL HAMBRE EN AMÉRICA LATINA

12.8% de laPoblación

total

La subnutrición

En millones de personas

Fuente: FAO – AFP, adaptación CEET

441990-92 2003-05 2005-07 2009

45

51

1990-92 2003-05 2005-07 200910 millones de niñosSufren desnutrición crónica

PORTAFOLIO 18-sep-09


La Biofortificación: Estrategia Complementaria

Mejorar la Alimentos

Fortificados

Suplementación

Mejorar ProductividadMejorar la

Seguridad Alimentaria y Nutricional

Fortificados

Dieta Diversa

Productividad

Biofortificación de Cultivos

Educación Nutricional


¿Qué Son Cultivos Biofortificados?

Características Nutricionales

Mejoradas

Características Agronómicas

Mejoradas

Cultivos Biofortificados

Contribuyen a mejorar la seguridadalimentaria y nutricional

Corte longitudinal de un grano de arroz mostrando la localización de hierro y zinc

Fuente: E. Lombi et al,New Phytologist (2009) 184: 193–201


Aumento progresivo de Micronutrientes en Aumento progresivo de Micronutrientes en arroz arroz –– AgrosaludAgrosalud -- CIATCIAT

Mic

ron

utr

ien

tes

(p

pm

)M

icro

nu

trie

nte

s

(p

pm

)

18

24

30

36

Líneas promisorias CIATLíneas promisorias CIAT

* Líneas BrasilLíneas Brasil

Ciclos de fitomejoramiento

2005 2007 2009 2011

Mic

ron

utr

ien

tes

(p

pm

)M

icro

nu

trie

nte

s

(p

pm

)


* Líneas BrasilLíneas Brasil

6

12

18

9

2-3

14


Linea

Base Hierro

Linea

Base Zinc

Comentarios finales

� El mejoramiento genético del arroz requiere el uso inteligente denuevas tecnologías e inversión de recursos.

�las asociaciones estratégicas son claves para lograr economías deescalas

� En este sentido la colaboración con centros internacionales como el� En este sentido la colaboración con centros internacionales como elCIAT e IRRI y con otros países de la región (FLAR) son fundamentales

�Además, orientar adecuadamente y fortalecer la capacidad interna deinvestigación es fundamental para adaptar las nuevas tecnologías a lascondiciones de la región

� Finalmente, es NECESARIO tener una visión de largo plazo de haciadonde debe ir el sector arrocero en América Latina para orientaradecuadamente los esfuerzos de la investigación en arroz.


Gracias!Gracias!

[email protected]

http://www.ciat.cgiar.org/riceweb/esp/inicio.htm


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César P. Martínez - CINAP · 2016-05-07 · The daily range in temperature increases from 12.63oC to 13.76oC The length of the dry season decreases from 6.78 months to 6.46 months