Descubriendo la Diversidad

Genética de la Semilla

Seeds of Discovery (SeeD)

Peter Wenzl Líder del proyecto

Sarah Hearne Caracterización y premejoramientoe de maíz

Gilberto Salinas Fortalecimiento de capacidades

Seguridad alimentaria en el futuro

[Fuente: base de datos PDS de USDA]

Demanda

proyectada

para 2050

(FAO)

Re

nd

imie

nto

pro

me

dio

glo

ba

l (t

on

ela

da

s p

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)

Año

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Trigo

Maíz

Aprovechar mejor la variación

genética nativa presente en

los recursos genéticos

Recursos genéticos

● Colecciones de muestras de semillas (“accesiones”), colectadas a

través de décadas y conservadas en “bancos de germoplasma”

● Son la materia prima para el mejoramiento genético y el desarrollo

de las semillas del futuro: variadades de alto rendimiento,

resistentes a los efectos de cambio climático (calor, sequía, etc.)

● México tiene los bancos de germoplasma más grandes en el

mundo para dos de los tres principales cultivos de la humanidad

(maíz y trigo)

● Hasta ahora, las coleciones en los bancos de germoplasma no se

han aprovechado bien: parecen bibliotecas sin buenos catálogos

● SeeD: Aprovechar las nuevas plataformas de secuenciación de

ADN, en combinación con ensayos de campo, para generar

catálogos con el fin de estimular el mayor uso de recursos

genéticos en el desarrollo de variedades mejoradas

● SeeD = contribución de México a la seguridad alimentaria global

La estrategia de SeeD

Recursos

genéticos

Caracterizar la

constitución

genética de las

accesiones de

germoplasma

Evaluar

caracteres de

importancia

agrícola

Identificar

“accesiones

donadoras” con

caracteres útiles

y genes

beneficiosos

Crear un “catálogo

SeeD” en línea

describiendo las

características

claves de

accesiones de

germoplasma e

identificando

factores genéticos

que influencian

caracteres de

interés

Pre-mejoramiento

para incorporar

genes beneficiosos

de recursos

genéticos a variedades

cultivadas para

facilitar su uso en

programas de

mejoramiento

(“germoplasma

puente”

Mejoramiento

genético

Combinar

caracteres

favorables en

variedades de

alto rendimiento,

adaptadas al

cambio climático

Servicio de Análisis

Genético para la

Agricultura (SAGA)

Gestión y divulga-

ción de información

Herramientas infor-

máticas

Estrategia proacti-

va de propiedad

intelectual

Tema 3: Gestión

de información

y servicios

Incrementar las

capacidads en la

investigación agríco-

la en México

Aumentar la partici-

pación de los partici-

pantes mexicanos

en SeeD

Tema 4: Desar-

rollo de ca-

pacidades

Atlas molecular de trigo

Identificar genes y

"accesiones don-

adoras" para carac-

teres priorizados

Desarrollar "germoplas-

ma puente" de trigo

Tema 2: Carac-

terización y pre-

mejoramiento

de trigo

Atlas molecular de maíz

Identificar "acce-

siones donadoras" y

factores genéticos

múltiples de efectos

incrementales

Identificar "acce-

siones donadoras" y

factores genéticos

simples de efectos

grandes

Desarrollar "germoplas-

ma puente" de maíz

Tema 1: Carac-

terización y pre-

mejoramiento

de maíz

Objetivo global: Aprovechar el

potencial genético de los

recursos genéticos del maíz y el

trigo con el fin de acelerar su

mejoramiento genético

¿Cómo trabajamos?

Peter Wenzl

Gilberto Salinas

Sarah Hearne

Agua Fría (CIMMYT)

Tlaltizapán

El Batán (CIMMYT)

Celaya (INIFAP)

San Pedro Lagunilla (INIFAP)

Ocotito (INIFAP)

Tarimbaro (INIFAP)

Chiapas (Pioneer México)

Torreón (UAAAN)

Obregón (CIMMYT)

NumaranI (BIDASEM)

Cortazar (Pioneer México)

Amoloya de Juárez (ICAMEX)

Iguala (INIFAP)

● Se llevó a cabo el ensayo de asociación genómica más completo en

la historia de investigación en maíz para identificar factores genéticos

contribuyendo a caracteres de importancia agrícola

● Se evaluaron las progenies de 3,900 cruzas de prueba en 25 ensayos

de campo y 14 campos experimentales (34,000 surcos en total) para

los siguientes caracteres: Rendimiento

Tolerancia a sequía, calor y una combinación de ambos

Resistencia a plagas o enfermedades (roya común, mancha de asfalto,

pudrición de mazorca, pudrición de tallo, Turcicum, Cercospora)

Tolerancia a suelos infertiles (bajo nitrógeno)

Calidad de grano

● Se identificaron (visualmente) accesiones resistentes a mancha de

aslfalto o tolerantes a suelos infertiles (nitrógeno)

Resultados de 2011/12 en Maíz (Tema 1)

Resultados de 2011/12 en Maíz (Tema 1)

● Se genotipificaron los padres criollas de las cruzas de prueba con

dos métodos de genotipificación por secuenciación

● Se desarrolló un método de genotipificación-por-secuenciación

más eficiente que va a permitir la construcción de un Atlas

Molecular que invluye las accesiones de germoplasma de todos los

bancos de germoplasma de maíz en México (> 40,000 accesiones)

como parte de SeeD

● Se organizaron talleres para: Invitar a los bancos de germoplasma nacionales a

participar en la construcción del Atlas Molecular de Maíz

Definir prioridades para caracteres de calidad de grano

● Se inició el desarrollo de poblaciones de

pre-mejoramiento a partir de teocintles para

incorporar genes que no se transmitieron al maíz

durante su domesticación hace 10,000 años

Planes para 2013: Maíz (Tema 1)

● Analizar datos del experimento de asociación genómica para

identificar factores genéticos múltiples de efectos pequeños y

“accesiones donadoras” criollas que se deberían aprovechar para

pre-mejoramiento con el fin de desarrollar “germoplasma puente”

● Multiplicar semillas de 1,000 accesiones criollas, desarrollar

protocolos y establecer/equipar nuevos lotes en campos

experimentales para evaluar accesiones con el fin de identificar

factores genéticos simples de efectos grandes a partir de 2014

● Genotipificar 20,000 accesiones de maíz criollo de bancos de

germoplasma de CIMMYT e INIFAP

● Secuenciar el genoma completo de 18 muestras de accesiones

criollas en LANGEBIO

● Iniciar más poblaciones de pre-mejoramiento a partir de

“accesiones donadoras” criollas; seguir el programa de pre-

mejoramiento a partir de teocintles

Resultados de 2011/12 en Trigo (Tema 2)

● Se caracterizaron genotipicamente 32,000 accesiones del banco

de germoplasma en CIMMYT

● Se evaluaron 50,000 accesiones en 35 ensayos (220,000 lotes en

total) para los siguientes caracteres: Tolerancia a sequía y calor

Resistencia a plagas o enfermedades (carbón parcial, “spot blotch”, “tar spot”)

Tolerancia a suelos infertiles (bajo fósforo)

Calidad de grano

Adaptación a ambientes agroecológicos mexicanos

● Se inició un programa de pre-mejoramiento

a partir de trigos criollos y sintéticos

Planes para 2013: Trigo (Tema 2)

● Caracterizar genotipicamente 10,000 accesiones adicionales del

banco de germoplasma en CIMMYT

● Evaluar la 20,000 accesiones adicionales para su tolerancia a calor,

sequía y caracteres fenológicos, morfológicos y de calidad de

grano

● Evaluar 3,500 accesiones adicionales para su resistencia a

enfermedades

● Formar y distribuir a participantes en el proyecto una colección

núcleo de 1,000 accesiones selectas

● Continuar el programa

de pre-mejoramiente de

trigo con el objetivo de

generar 5,000 líneas de

“germoplasma puente”

● Siete científicos se entrenaron en métodos de genotipificación-por-

secuenciación en DArT, Australia, durante 4-10 meses

● Se estableció el laboratorio del Servicio de Análisis Genético para la

Agricultura (SAGA) en el Centro Nacional de Recursos Genéticos

(CNRG) de INIFAP y se analizaron las primeras muestras de ADN

● Se comenzó el desarrollo de varias herramientas informaticas, entre

ellas un programa para colectar datos de evaluación en campo

para dsipositivos móviles

Resultados de 2011/12 de los Tema 3/4

● Se puso en línea la primera versión del portal web de SeeD:

http://seedsofdiscovery.org

Resultados de 2011/12 de los Tema 3/4

Posgrado en recursos genéticos

● Gilberto: please elaborate

Posgrado en recursos genéticos

● Gilberto: please elaborate

Maize molecular atlas

> 250,000 ancestral genotypes in 45,000 populations (accessions) at CIMMYT and Mexican partner organizations. Breeding lines, wild relatives. (UNAM, INIFAP, UAAAN, UACH, UdG)

Genetic resources in genebanks

Maize molecular atlas

Objective

Understand and describe molecular genetic

diversity of maize to aid germplasm selection

and identify genetic imprints resulting from

environmental and human influence

Outputs

Fingerprints- genotypic profiles of maize

landraces, elite materials and wild relatives

available in a query-able portal with associated

passport and characterization data where

available

Technology v Biology

● Molecular variants in the DNA of maize are

abundant.

● SNP are the most common and there are many

methods available to evaluate few to many of

these in individuals

● Maize and relatives are allogamous

● Diversity within a landrace population is greater

than between populations

● To look at a population we need to evaluate

many individuals (expensive) or find a way of

evaluating a population via one or a few samples

Technology adaptation

● Technology in

use which

enables

inexpensive

high density

genotyping of

individuals

● Worked with partners, Diversity Arrays Technology

(DArT) to adapt the technology to enable

genotyping of pooled samples (many individuals)

GBS of bulk samples

● Can we genotype mixed samples and derive

population level allele frequencies?

Yes and these are representative of population level genetic distances

● Thirty plants per accession provides sample with

little divergence of GBS profile from

corresponding individuals

facilitates use of one sample per accession, optimization

of diversity estimates, is practically achievable,

● Some overestimation considering diversity

measures – estimates of effect determined

GBS of maize landraces

● Started to implement a bulked GBS

approach- 23500 accessions

● Landrace population level GBS profiles

$45/accessions – equivalent cost $1200

per accession for 30 individuals

● Applicable to teosinte and Tripsacum

Thank you

SeeD participants • BIDASEM Productora y Comercializadora de

Semillas

• CIMAT: Centro de Investigación en Matemáticas

• CIMMYT: Centro Internacional de

Mejoramiento de Maíz y Trigo

• CINVESTAV: Centro de Investigación y de

Estudios Avanzados

• CNRG: Centro Nacional de Recursos

Genéticos

• Cornell University

• DArT: Diversity Arrays Technology

• ICAMEX: Instituto de Investigación y Capacitación Agropecuaria, Acuícola y

Forestal del Estado de México

• ICARDA: Internal Center for Agricultural Research in the Dry Areas

• INIFAP: Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias

• JHI: James Hutton Institute

• TEC: Tecnológico de Monterrey

• UAAAN: Universidad Autónoma Agraria de

Antonio Narro

• UAEM: Universidad Autónoma del Estado de

México

• UDG: Universidad de Guadalajara

• UPFIM: Universidad Politécnica de Francisco I.

Madero

!Gracias por su atención!