Ariadne Vegas García Programa Prometeo SENESCYT

Esmeraldas, 26 de enero de 2015

Contenido

1. Biodiversidad 2. Conservación de la Biodiversidad Recursos Genéticos (Fitogenéticos) 3. Estrategias de Conservación:

• Conservación in situ

• Conservación ex situ Conservación in vitro

• Cultivo de tejidos vegetales y la micropropagación

Biodiversidad • Variabilidad entre los organismos vivientes, incluyendo ecosistemas terrestres, marinos y otros ecosistemas acuáticos y los complejos ecológicos de los cuales forman parte: esto incluye la diversidad dentro de las especies, entre las especies y de ecosistemas. • Biodiversidad Genética: se refiere a la variación de genes y genotipos

entre las especies y dentro de ellas.

• Países megadiversos, aquellos en cuyos territorios se encuentra más del 70% de la biodiversidad global, incluyendo vida terrestre, marina y de aguas dulces. (Cumbre de la Tierra de Naciones Unidas, 1992). • No tiene una distribución uniforme en el planeta. Aumenta desproporcionadamente en la medida que nos acercamos a los trópicos (Ricklefs, 2004, 2005, 2006). • El número de especies de árboles, orquídeas, mamíferos, aves, reptiles, anfibios, peces e insectos aumenta en un gradiente latitudinal en la medida que nos acercamos al Ecuador (Dressler, 1981; Huston, 1994; Hawksworth, Kalin-Arroyo, 1995; Val, Almeida-Val, 1995). •

FAO, 2013

FAO, 2013

FAO, 2013

FAO, 2013

Los retos para los científicos y para la humanidad: 1. Estudiar la diversidad biológica y sus interacciones 2. Detener la pérdida de los ecosistemas, especies y

diversidad genética

3. Alimentar una población humana creciente

4. Desarrollar cultivos agrícolas mejorados, nuevas medicinas, y otros productos (Maxted 1997, 2000)

Conservación de la Biodiversidad

¿Como conservamos el germoplasma vegetal?

Existen dos estrategias básicas: La conservación in situ: las especies se mantienen en su hábitat natural, generalmente en parques nacionales, reservas biológicas y reservas ecológicas (García Águila et al 2007). La conservación ex situ: las especies se preservan fuera de su hábitat natural, en bancos de semillas botánicas, bancos de plantas en campo o en bancos de plantas in vitro García Águila et al 2007

Conservación de germoplasma

In situ • Mantenimiento de los recursos genéticos en los

centros de origen, sitios donde se dio la especiación y donde se encuentra la mayor diversidad genética.

En parques y Reservas nacionales • Cultivos en campos de productores en sistemas de

agricultura tradicional

SEMILLA SEXUAL Vs SEMILLA AGAMICA

GERMINACION Vs BROTACIÓN

Bancos de semillas bótanicas

• Es el método mas utilizado • Almacenamiento de muchos genotipos en

espacios reducidos • Apto para especies con semillas ortodoxas,

semillas que pueden deshidratarse y almacenarse, de 0 a -20°C, por largo tiempo (20-30 años)

Centro de Recursos Genéticos Instituto Internacional de Investigaciones sobre el

Arroz (IRRI) 100.000 variedades

Bancos de semillas botánicas • Permiten la conservación y el resguardo de la diversidad vegetal

• Seguridad alimentaria

• Son fuentes de resistencia en Programas de Fitomejoramiento

• 1750 bancos de genes en el mundo Europa, América, Asia ~7,4 millones de muestras ( 90% semillas)

Banco de plantas en campos

• Se justifica en plantas que no producen semillas botánica, ej. Plátanos y bananos

• Altos costos de mantenimiento • Existen riesgos de pérdida del

material • Se requieren de grandes

extensiones • Gran cantidad de muestras

representativas (20 a 30 por población)

• 577.000 accesiones (FAO, 1996)

Jardines botánicos • Deben existir las condiciones

ambientales, de acuerdo al origen de las plantas

• Altos costos de mantenimiento

• Existen riesgos de pérdida del material por factores ambientales

Bancos de germoplasma in vitro

• Son sitios para la conservación de

los recursos genéticos en condiciones controladas de laboratorio e involucran diversas técnicas de cultivo y almacenamiento in vitro • Mantenimiento de alta diversidad en espacios reducidos • En condiciones asépticas y a salvo de riesgos ambientales • Intercambio de material genético

Conservación in vitro • Apto para semillas recalcitrantes, no soportan la deshidratación, por lo que deben ser almacenadas en ambientes húmedos, por corto tiempo • Especies tropicales Palma aceitera, cacao, café, coco, aguacate, mango • En especies con largos períodos de fase juvenil Ej. Persimon (Dyospiros kaki) • Especies que se propagan vegetativamente, yuca, papa, ñame, banano y plátano, ajo

Grupo de técnicas mediante las cuales un explante (parte separada de un vegetal, por ejemplo: protoplasto, célula, tejido, órgano) se cultiva asépticamente en un medio de composición química definida y se incuba en condiciones ambientales controladas (Roca y Mroginski, 1991) .

Aplicaciones: a) Obtención de plantas libres de patógenos. b) Propagación masiva. c) Conservación de germoplasma. d) Mejoramiento genético mediante inducción de mutaciones y

selección in vitro. e) Ingeniería genética.

El establecimiento y respuesta del cultivo de protoplastos, células,

tejidos y órganos, dependerá la selección y condiciones de las plantas donadoras, tipo de explante, medios de cultivo y condiciones

ambientales

•Genotipo

•Estado de desarrollo

Planta donadora

•Época del año

•Pretratamiento

•Condiciones de crecimiento

(Roca y Mroginski, 1991)

Etapas implicadas

en el protocolo de

micropropagación

de una especie

vegetal

Aclimatación FASE 4

FASE 2

Elección de una planta

madre selecta

Explantes

Desinfección superficial

Establecimiento en medio

de cultivo apropiado

Transferencia a medio de multiplicación.

(Subcultivos)

Formación de brotes

Transferencia a un medio

para el enraizamiento de los

brotes

FASE 1

FASE 3

FASE 0

Extracción de

Meristemos

PARÁMETROS IMPORTANTES PARA LA

MICROPROPAGACIÓN

Métodos de regeneración de plantas

Embriogénesis Somática Organogénesis

Formación de un primordio unipolar y desarrollo de un brote que tiene conexión con el tejido materno.

Proceso a través del cual se obtiene una estructura bipolar similar al embrión cigótico sin que medie la fertilización de gametas.

Métodos de propagación asexual

Micropropagación de papaya a partir de yemas ápicales y

axilares, en cultivos semisólidos

Tasa de

multiplicación de 2 a 2,5 X

10

brotes/envase/mes

Tovar, R. 1989. Tesis de Pregrado

b a

c

d e f

Proceso de micropropagación de plantas de papaya cultivar Maradol a partir de brotes en los RITA®

y aclimatización mediante el sistema autotrófico hidropónico (SAH).

a) RITA mostrando el crecimiento de los brotes en condiciones controladas; b) detalle de la producción de brotes y plántulas en uno de los envases;

c) aspecto de los brotes sin raíces, provenientes de los RITA, tratados con AIB; d) Endurecimiento paulatino de las plantas, después de los 26 días

del trasplante, en el sistema autotrófico hidropónico (SAH); e) Detalle del desarrollo de las raíces de las plantas; f) Desarrollo de las plantas

aclimatizadas, 26 días después del transplante en el SAH.

Micropropagación de lechosa mediante embriogenesis somatica

EMBRIOGÉNESIS SOMÁTICA DE LA LECHOSA

Vegas, A. 1997. Tesis de Doctorado Vegas, A. 1997. Tesis de Doctorado

Componentes del medio de cultivo

• Nutrimentos minerales

• Carbono

• Vitaminas

• Agente gelificante

• Reguladores de crecimiento

• Otros compuestos

La contaminacion microbiana in vitro puede tener dos orígenes:

Microorganismos que colonizan la superficie o el interior del explante (endófitos)

Fallas en los procedimientos de laboratorio.

Condiciones asépticas de siembra en cultivos in vitro

pH y otras condiciones del cultivo

• Steward et al (1952) encontraron que un medio levemente ácido (pH 6,25 era óptimo para los cultivos de zanahorias

• Condiciones optimas:

Fuente luminosa compuesta de lámparas fluorescentes y lámparas incandescentes que brinden entre 1000 y 4000 lux de iluminación. Comúnmente se utiliza un ciclo de fotoperíodo/oscuridad de 16/8 h

• En general, las temperaturas entre 25 y 28 oC son adecuadas para el establecimiento de los cultivos

Cultivo In Vitro en papa…

Meristemos Cultivar Granola.

Saneamiento Vegetal

Cultivo de meristemo- saneamiento virus. Cultivos de ápices, grelos- saneamiento de hongos-bacterias.

Accesión introducida lote CIP-2009

Granola proveniente de Bolivia

Contaminados No Contaminados Miguel Pérez, INIA

Cultivo In Vitro en papa…

Manejo de Germoplasma In Vitro y conservación

Accesiones introducidas y repatriadas. Conservación de colectas nativas

En la actualidad se conservan 234 accesiones de germoplasma.

Miguel Pérez, INIA

Producción de microtubérculos de papa en sistema estático

Miguel Pérez, INIA

Cultivo In Vitro en papa…

Microtubérculos

Fase IV: producción de semilla agámica (SIT)

Miguel Pérez, INIA

A.- Evaluación de germoplasma local

B.- Evaluación de germoplasma introducido del Centro Internacional de la Papa (CIP, Perú) y la Fundación PROINPA (Bolivia).

Vitroplantas Minitubérculos Semillas sexuales Microtubérculos

Conservación ex situ de variedades de papa

Herramientas biotecnológicas aplicadas para la producción de semilla agámica (bulbos) de ajo.

Miguel Pérez, INIA

Tipos de Almacenamiento in vitro

• A corto plazo:

Uso de técnicas de cultivo de

tejidos que reducen el

crecimiento

• A largo plazo

Crioconservación

Almacenamiento a corto plazo

• Se manejan las condiciones in vitro para retrasar el crecimiento y aumentar los intervalos de subcultivos

• Los cultivos pueden permanecer hasta 12 meses

• Reducción de la temperatura en los cuartos de crecimiento

• Modificar los medios de cultivos

Almacenamiento a corto plazo

• Temperatura: Cultivos Templados 4°C Cultivos Tropicales 10-15°C • Reducción de la intensidad

lumínica (1.000 lux) o completa supresión de luz

• Reducción de los minerales y carbohidratos metabolizables en el medio de cultivo

• El explante absorbe nutrientes mas lentamente y ocurre una reducción de crecimiento

• Tamaño del recipiente del cultivo • Disminución del oxigeno disponible • Encapsulación

Banco de Germoplasma in vitro de yuca CIAT

6.467 materiales (28 países): 5.184 materiales cultivados 883 especies silvestres 400 materiales mejorados Distribución: 32.195 muestras (6.105 materiales) a 67 países

Bancos de germoplasma in vitro

• Centro Agronómico de Agricultura Tropical (CATIE), Costa Rica: Café y Musa

• CIAT: Maíz, yuca • CIP: variedades locales de Papa • IITA: soya, yuca • IBPGR, ahora Biodiversidad Internacional (BI): Cacao,

mango, banano y plátano, aguacate, papa, yuca, especies de Allium, minituberculos de ñame

• INIBAP: Bananos y plátanos • FFTC (Asia): Arroz y especies silvestres, banano • Universidades en India: Plantas medicinales

Encapsulación

• Se recubren embriones somáticos, yemas y ápices con una cubierta gelatinosa, alginato de calcio, para formar semillas sintéticas

• Provee resistencia a la deshidratación y bajas temperaturas

• Ejemplos: ápices de fresa y mora, a 4°C, oscuridad, por 9 meses

• Microtallos de piña, a 4 °C

• Embriones somáticos de mandarina

Encapsulación de nudos en papa

Miguel Pérez, INIA

Almacenamiento a largo plazo

• Se mantiene la estabilidad genética • Poco espacio de mantenimiento • Prácticamente por tiempo indefinido • Semillas (recalcitrantes e

intermedias) • Semillas sintéticas • Meristemos, ápices • Polen • Células, callos, suspensiones celulares

Crioconservación

• Permite el almacenamiento de células, tejidos y órganos vegetales a temperaturas extremadamente bajas (-196°C)

• Utiliza nitrógeno líquido

• Se detienen todas las actividades metabólicas y los tejidos conservan la viabilidad, sin que ocurran alteraciones fisiológicas

• Eliminación de virus (banano)

Técnicas de crioconservación

Crioconservación clásica:

• Deshidratación inducida

• Preenfriamiento paulatino: 10, 8, 4, -20, -40 °C. Requiere de congeladores programables

• Inmersión en nitrógeno líquido,

sin criopreservantes

Nuevas técnicas de Crioconservación

• Vitrificación: promueve la deshidratación (osmótica) y “solidificación” de líquidos en ausencia de cristalización, con sustancias criopreservantes:

Glicerol, EG, DMSO, sacarosa • Congelación NL • Descongelamiento a baño de María 40°C, 1-2 min, lavados con medio con sacarosa • Recuperación y regeneración

Mejora genética de la Palma aceitera con fines de resistencia a la pudrición del cogollo, en la provincia de Esmeraldas, Ecuador

1. Selección de plantas elites o parcelas con altos rendimientos y crecimiento lento en fincas productoras 2. Polinizaciones y cruces entre los materiales seleccionados 3. Siembra de semillas de líneas e híbridos para la recuperación de plantaciones, en viveros en fincas 4. Protocolos de micropropagación asexual y sexual 5. Evaluaciones de materiales genéticos de palma aceitera con fitopatógenos aislados

Investigación en la PUCESE

Perspectivas

•Investigación en la PUCESE:

•Vinculación con Centros de investigación y Universitarios, asociaciones de productores, comunidades •Proyectos conjuntos

•Asesoramiento de trabajos de investigación: tesis de pre y postgrado

• Talleres cortos en biotecnología vegetal

• Publicaciones científicas y divulgativas

vegaslux@yahoo.com

Bibliografía consultada

FAO. 2014. Normas para bancos de germoplasma de los recursos fitogenéticos para la alimentación y la agricultura. 167 p. García L, De Feria M, Acosta K. 2007.Aspectos básicos de la conservación in vitro de germoplasma vegetal. Biotecnología Vegetal 7: 67-79 Lobo M, Medina C. 2009. Conservación de recursos genéticos de la Agrobiodiversidad como apoyo al desarrollo de sistemas de producción Sostenibles. Revista Corpoica 10: 33-42. Sanchez-Chiang N, Jiménez V. 2010. Técnicas de conservación in vitro para el establecimiento de bancos de germoplasma en cultivos tropicales. Agronomía Mesoamericana 21: 193-205.

¿Cuánto más de la biodiversidad natural y agrícola debe extinguirse y cuanto más de los conocimientos ancestrales sobre esa biodiversidad y el medio natural debe morir con sus poseedores, ya ancianos e ignorados? ¿Cuánto más puede avanzar la contaminación de las aguas y cuanto más la degradación y erosión de los suelos? ¿Cuánto más puede ser la carga de pesticidas al ambiente y al cuerpo humano de agricultores y consumidores? ¿Cuan sustentable es la producción agrícola en la Región, y regiones del país? Dr. Wilfredo Franco. Prometeo SENESCYT adscrito a la UPEC

Reflexiones ……