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Desarrollo de nuevas
variedades como elemento
dinamizador de la
Horticultura
Prof. Dr. Manuel Jamilena
JORNADAS INNOWA
La Universidad de Almería
Una Universidad que mira al mar y a
la Horticultura intensiva bajo plástico
UAL - Anecoop - Bital
- CeiA3
Sumario
1. La semilla, lo primero
2. El negocio de la semilla de hortícolas
3. Mejora genética como motor dinamizador del sector hortícola
•
•
•
•
El poder de las plantas transgénicas
Mejora de las resistencias a plagas y enfermedades
Variedades con mayor calidad de fruta
Variedades para la Horticultura sostenible y AE
4. Importancia de las OMICAS: genómica, transcriptóma,
proteómica, metabolómica, fenómica…
Concentración de la producción en AL
 Almería concentra
27.000 ha de
invernadero para
producción hortícola
 Es el área más
importante de
producción de
hortalizas fuera de
temporada en la EU
Producción de hortalizas Almería (Ton)
800.000
756.000
Producción total (2013): 3. 051.027 tons
Valor (2013): 1.594,4 million Euros
700.000
600.000
529.500
500.000
400.000
315.000
300.000
297.160
212.430
200.000
182.700
106.792
100.000
43.000
V.
Ju
di
a
tro
s
O
M
eló
n
ba
cín
Ca
la
pi
no
Pe
Sa
nd
ía
to
Pi
m
ien
To
m
at
e
0
Producción hortícola Almería/ España
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
0
Spain
Almería
Tecnologías asociadas al modelo AL
1. Manejo eficiente de la fertilización y riego
2. Nuevas estructuras de invernadero
3. Manejo integrado de enfermedades y plagas
4. Utilización de polinizadores
5. Lucha biológica contra plagas y enfermedades
6. Injertos en vegetales
7. Desarrollo de nuevos productos: IV y V gama
8. Desarrollo de nuevas variedades hortícolas
La semilla, lo primero
1. La semilla, la variedad, es el factor más importante para mantener y
mejorar la producción hortofrutícola
2. El uso de semillas de alta calidad, mejoradas genéticamente, es una
manera de generar y vehiculizar innovación y valor añadido a la
cadena alimentaria.
3. Las semillas son un sector estratégico para controlar el mercado de
alimentos en el mundo. Las empresas multinacionales más grandes
se comen a las pequeñas.
¿Cómo podemos
desarrollar estas
nuevas variedades?
Mejora genética vegetal
El objetivo principal de la mejora genética es aumentar la
producción, la calidad y la diversidad de las especies
cultivadas mediante el desarrollo de nuevas variedades
que estén mejor adaptadas a las necesidades del
hombre.
Recursos Fitogenéticos
disponibles
Genética
Tecnología alimentos
Fitopatología
Plant breeding
Genómica
Fisiología Vegetal
Nuevas variedades mejoradas
Las empresas de mejora y biotecnología
Pasos en la mejora genética de plantas
1.
2.
3.
4.
5.
Formulation de los objetivos de mejora
Generación de la variación genética
Selección
Desarrollo y evaluación de nuevas variedades
Producción y venta de la semilla
Investigación
fundamental
Investigación
biotenológica
aplicada
Mejora genética
(desarrollo nueva
variedad)
Producción de
semilla y
material de
siembra
Marketing
y venta
1. Empresas venden semilla
2. Empresas de semillas pequeñas
3. Empresas de semillas grandes
4. OPIs y Empresas BIO
5. Empresas de semilla pre-comercial
El negocio de las semillas hortícolas

Volumen de negocio anual del mercado de semillas
hortícolas: 2,5 billion EUR

Incremento anual del mercado de semillas
hortícolas: 5-7%

Las inversiones en I+D de las principales empresas
en este sector es muy alta: 15-25 %

Global seed market
El mercado está en manos de muy pocas
empresas
Volumen de exportación de semilla EU (mill EUR)
¿Qué nos pueden
ofrecer estas
nuevas variedades?
Variedades convencionales/ transgénicas
Variedades tradicionales
Combinación de genes de la propia
especie o especies relacionadas
Variedades transgénicas
Combinación de genes de cualquier
especie
Cultivo mundial transgénicos 2012
En verde, países que siembran >100.000 ha
Ej. Tomates transgénicos morados
Tomates transgénicos con alto contenido en antocianinas/antioxidantes. Sobreexpresan dos genes que intervienen en la biosíntesis de antocianinas de la planta
A. majus
% frutos firmes
Botrytis DNA
Firmeza
Tñ lesiones Botrytis
Current Biology 23, 1094–1100, June 17, 2013
Brócolis transgénicos larga vida
+ 10 ppm etileno
Brócolis transgénicos que retrasan el amarilleo en poscosecha.
Sobreexpresan el gen de la enzima Isopentenyl transferase (ipt) bacteriana.
GMOs
WT
Variedades hortícolas transgénicas
Species
Commercial
varieties
out of EU
Essays
Trait
EU
Others
Tomato
6
75
652
Virus resistance / Shelf life
Squash
2
6
60
Virus resistance
Melon
1
10
137
Virus resistance /Shelf life
Watermelon
Virus résistance /seedless
Broccoli
0
1
14
Insect resistance /male
sterility / shelf life
Cucumber
0
1
28
Virus résistance / salt
tolerance
Lettuce
0
8
79
Herbicide resistance / shelf
life
Mejora convencional
Domesticación y
mejora tradicional
Diversificación de tomate mediante mejora genética clásica
Variedades residuos = 0
Horticultura química
Uso indiscriminado de pesticidas
Horticultura sostenible
Control integrado/biológico de
plagas y enfermedades con plantas
resitentes
Importancia de las virosis
Leonardo Velasco. 2015. http://www.iprofesional.com/
Mejora de la resistencia a ToLCNDV
 Identificación de materiales
resistentes a ToLCNDV en
calabacín
 Estudio del control genético de
las resistencias
 Desarrollo de protocolos de
inoculación artificial con mosca
blanca y mecánicos para
estudio de poblaciones
segregantes
ToLCNDV
Tomato Leaf Curl New Delhi Virus
• Begomovirus trasmitido por mosca
blanca B. tabaci
• Afecta principalmente a cucurbitáceas,
en especial a calabacín, pero también
melón y pepino
• No permite cultivar calabacín aire libre
Screening resistenciaToLCNDV Cucurbita
Screening de 261 accesiones del género Cucurbita en condiciones de campo con
mosca blanca virulífera.
C. pepo
C. moschata
C. maxima
C. fraterna
C. okeechobeensis
C. argyrosperma
C. lundelliana
C. foetidissima
C. spp.
176 accesioness
33 accesiones
19 accesiones
2 accesiones
2 accesiones
2 accesiones
2 accesiones
1 accesiones
27 accesiones
Bancos de germoplasma: BSUAL (Almería), COMAV (Valencia), USDA (EEUU) y
NYRC (Israel).
Resultados screening
7
6
7
7
7
4
9
9
7
5
5
5
4
2
4
6
6
6
4
3
4
4
4
4
4
4
8
0
0
0
0
50
50
75
50
50
100
100
100
100
100
100
100
100
100
50
100
100
75
50
100
75
100
100
0
0
0
0
1
1
1
1
1,2
3
2,6
1,8
1,75
3
2,75
3
3
3
1,25
3
3
1,66667
3
3
1,75
2,75
3
7
4
7
6
7
6
5
5
6
5
5
5
4
2
4
6
6
6
4
3
4
4
4
4
4
4
4
0
0
0
0
0
0
50
0,5
75
1,5
100
1,5
83,333 1,833
100
1,6
100
1,5
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
3
100
2,75
PCR
N
0
0
0
0
0
0
0,8
1
1
1,4
0,6
1
0,5
1
0,75
0,333
0,833
0,833
0
1,333
1,333
0,667
2,333
1
1,75
1,25
1,5
SEVERIDAD
SEVERIDAD
0
0
0
0
0
0
75
100
100
60
40
60
50
50
50
33,3
66,7
50
0
100
75
50
100
50
75
50
50
INCIDENCIA
INCIDENCIA
4
6
6
6
4
3
4
4
4
4
4
4
8
N
7
6
7
7
7
4
9
9
7
5
5
5
4
35 DDI
SEVERIDAD
MOSCHATA
MOSCHATA
MOSCHATA
MOSCHATA
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
MOSCHATA
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
PEPO
28 DDI
INCIDENCIA
N
ESPECIE
21 DDI
NEGATIVA
NEGATIVA
POSITIVO
POSITIVO
POSITIVO
POSITIVO
POSITIVO
POSITIVO
POSITIVO
POSITIVO
Resultados del screening
 2 accesiones de C. moschata no han mostrado
síntomas de la enfermedad y están libres de virus
en el ápice de la planta (PCR).
0.0
2 accesiones de C. moschata mostraron
Retraso en la aparición de los síntomas
Menor severidad de los síntomas
5 accesiones de C. pepo mostraron
Menos síntomas, aunque más que las entradas de
C. moschata.
Retraso en la aparición de los síntomas
Menor porcentaje de plantas afectadas
0.0
Mejora de la polinización natural calabacín
 La pérdida del cuajado de los frutos en
invierno no solo se debe a la falta de
actividad de los insectos polinizadores
sino también a la falta de flores
masculinas en las variedades
comerciales actuales.
 Identificación de una línea de Cucurbita
pepo con un alto porcentaje en flores
masculinas
 Hemos utilizado dicha línea como
planta polinizadora en un ensayo con
otros tratamientos químicos y
ecológicos
Expresión sexual calabacín
Campaña INVIERNO
Fase
femenina
% flores
Fase
mixta
100
75
50
25
0
0
Fase
masculina
3
6
9
12 15 18 21 24 27
Nudo
Flores masculinas
Flores femeninas
Peñaranda et al. Journal of Horticultural Science & Biotechnology (2007) 82 (4) 579–584
Variedades polinizadoras en calabacín
Manzano et al. J Plant Growth Regul (2010) 29:73–80
Manano et al. Plant Growth Regul (2011) 65:213–221
Veg produce más 90% flores masculinas
Variedades polinizadoras en calabacín
Variedades polinizadoras en calabacín
Planta polinizadora
Control
Pérdida flor masculina
Colmena abejas
Variedades con mejor calidad de fruta
Producción
Variedades muy productivas
Calidad de la fruta
• Variedades residuos 0
• Mayor calidad postcosecha
• Mejores cualidades organolépticas
• Aumento contenido compuestos
funcionales……………….
Mejora de la partenocarpia
 Identificación de genotipos
partenocárpicos bajo condiciones de
cultivo de Almería
 Fuentes naturales:
variedades tradicionales
 Inducción y selección de
mutantes partenocárpicos
 Desarrollo de criterios para la
selección de genotipos
partenocárpicos en calabacín
Planta (2014) 239:1201–1215
 Identificación de marcadores
fisiológicos y moleculares para la
selección de genotipos
partenocárpicos
Fuentes de partenocarpia natural en calabacín
Partenocarpia
con flor pegada
Partenocarpia sin
flor pegada
Martínez et al. 2013. BMC Plant Biology 13:139
Martínez et al., 2014. Euphytica
Martínez et al., 2014. Planta 239:1201-1215
Partenocarpia de Cavili
La partenocarpia de Cavili
está asociada a una menor
producción de etileno en el
ovario a los 3 DPA
Martínez et al. BMC Plant Biology 2013, 13:139
Correlación entre partenocarpia y etileno
Las variedades más partenocárpicas producen mucho menos etileno a los
3 DPA que las no-partenocárpicas.
La producción de etileno o la expresión
de los genes de etileno a los 3 DPA
puede usarse como marcador para
seleccionar genotipos partenocárpicos.
Euphytica (2014) 200:349–362
El calabacín es muy sensible daños frío
Variedad Natura
Variedad Sinatra
Variedades tolerantes a frío en calabacín
Genotipo
tolerante a frío
Palma et al. 2015. Postharves Biol Tech 99:131-140
Carvajal et al., 2014. Annals of Appl Biol 166:340-354
Megías et al., 2014. LWT Food Sci Tech 57:194-199
Palma et al., 2014. Plant Sciences 217-218
Palma et al., 2014. Plant Physiol Biochem 82:161-171.
Tolerancia frigoconservacion /etileno
Variedades
sensible frío
Variedades tolerantes frío
Megías et al., 2014. LWT Food Sci Tech 57:194-199
Megías et al., 2015. PLOS ONE (in press)
Variedades para la horticultura sostenible
Abonos orgánicos
Variedades que utilicen eficientemente
el Nitrógeno y otros fertilizantes
Abonos de síntesis
Variedades que requieren altos
contenidos de nitrógeno
Variedades que usan N eficientemente
Genotipos que sean capaces de
establecer relaciones activas
simbióticas con microorganismos
beneficiosos de la rizosfera.
Genotipos con mecanismos para
mejorar la eficiencia en el uso de
nutrientes:
• sistemas radiculares
vigorosos
• mantenimiento de la
actividad fotosintética bajo
estrés de nutrientes
• habilidad para establecer
relaciones activas con las
micorrizas
• reducir pérdida de raíces
por patógenos
• incrementan la profundidad
de raíces, etc.
Las OMICs aceleran el proceso de mejora
GENOMICS
TRANSCRIPTOMICS
PROTEOMICS
METABOLOMICS
PHENOMICS
Generación de variabilidad por mutagénesis
10.000 semillas línea pura Muc16
EMS (Ethyl methanesulfonate)
M1
Colección de
5.000
Familias mutantes M2
M2
Screening fenotípico
Identificación de mutantes
por sus fenotipos
Datos de
secuenciación del
Genoma o
Transcriptoma
Screening DNA (TILLING)
Identificación variantes
alélicas en DNA
Variante alélica para
Genes ARFs
Mutante:
-
Partenocárpico
Tolerante frío
rico licopeno…
Mutante
partenocárpico
Screening directo colección mutantes
EVALUACIÓN PLÁNTULAS: La calidad de la colección es muy elevada
Albinas
3 cotiledones
Gravitropismo negativo
Deformacion cotiledones
Enanismo
Variegación
Despigmetación
Color naranja
Insensible a etileno
Total familias
Tratamientos EMS
T1
T2
0,54
1,15
1,39
1,04
0,05
1,26
1,07
3,4
0,96
2,19
0,36
1,21
1,94
1,75
0
0,05
0
0,21
929
1822
TOTAL 2751
Resultados del screening para insensibilidad etileno
Triple respuesta a etileno: Identificación de 4 familias mutantes
insensibles a etileno
Fenotipos de interés
agronómico:
•Partenocarpia
•Cambios expresión sexual
•Vida comercial postcosecha
•Tolerancia frigoconservación
Otros screening directos rápidos
• Identificación de mutantes tolerantes a estrés
oxidativo, que puedan ser tolerantes a
estreses abióticos
• Identificación de mutantes con altos
contenidos en compuestos bioactivos
1) Licopeno y otros carotenoides
2) Fibra de tomate
3) Enzimas y ácidos
Conclusiones: presente y futuro programas mejora
RECURSOS
FITOGENÉTICOS
CLÁSICOS
NUEVAS
PLATAFORMAS DE
GENÓMICA
Identificación del material vegetal / genes / marcadores / QTLs
MEJORA
GENÉTICA
Nuevas variedades
convencionales
Nuevas
variedades GMO
DINAMIZACIÓN DEL SECTOR
HORTOFRUTÍCOLA
Grupo de investigación BIO-293 y colaboradores
Dra. Susana Manzano
Dra. Cecilia Martínez
Zoraida Megías
Alicia García
Rafael Garrido
Dr. Tarek Wardeh. Universidad Alepo, Siria
Colaboradores:
Dra. Belén Picó.
UPV
Dra. Dolores Garrido.
UGR
Dr. Abdel Bendahmane.
INRA, Francia
Juan Carlos Gázquez
Encarna Aznar
Dr. Harry Paris
ARO. Volcani Center
Dr. Manuel Jamilena
Contribución de la mejora genética a la competitividad….