Mentaberry 3 Introduccion a Agrobiotecnologia.pdf

Conceptos y Técnicas de Biotecnología
Curso 2010
Agrobiotecnologia
Alejandro Mentaberry
Departamento de Fisiología, Biología Celular y Molecular
FCEN-UBA
Incremento poblacional y demanda de alimentos.
Restricciones y tensiones sobre la agricultura contemporánea
Evolución de la población mundial
Poblacion mundial (miles de millones)
La población mundial creció lentamente hasta el siglo XIX. Con el advenimiento
de la Revolución Industrial, se inició un proceso de incremento exponencial.
a
año
Distribución de la población mundial
El peso relativo de la población europea ha disminuido en los últimos dos
siglos. En cambio, se ha incrementado el de las regiones menos desarrolladas
(Asia, Africa y América Latina)
Población (miles de millones)
La mayor parte del crecimiento demográfico
tendrá lugar en los países subdesarrollados
• Hacia 2025 será necesario alimentar a 2.000 millones de personas adicionales.
• Existen 800 millones de personas desnutridas; de acuerdo con las tendencias
actuales esta cifra recién disminuirá a 200 millones en 2025.
Persistencia de la desnutrición a nivel mundial
La proporción de desnutrición se mide como el porcentaje de individuos
desnutridos sobre el total de la población de cada país.
Producción mundial de alimentos
(109 Tm)
El incremento de la producción de alimentos ha acompasado
al crecimiento demográfico en los últimos cincuenta años
Tomado de: Tilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999 .
• El proceso de
intensificación agrícola
que sustentó este
crecimiento se basó en:
Tomado de: Sadava, Plants, Genes and Crop Biotechnology, 2003.
- Mejoramiento genético
- Agroquímicos
- Irrigación artificial
- Mecanización
Se anticipan
numerosas
limitaciones
para el futuro
desarrollo de
la agricultura
• Limitaciones en la superficie de tierra cultivable
• Erosión y degradación de suelos
• Limitaciones en la disponibilidad de agua
para irrigación
• Excesiva presión de agroquímicos sobre
el medio ambiente
• Agotamiento paulatino del potencial
de mejoramiento genético
• Riesgos derivados de la homogeneidad genética
(pérdidas de biodiversidad, susceptibilidad a plagas)
Se perfila una crisis
en la disponibilidad de
recursos acuíferos en
los próximos 20 años.
La tierra cultivable y el agua son recursos limitados
- La mayor
cantidad de tierra
arable está
localizada en
Canadá, USA,
Brasil, Argentina,
Europa Occidental,
Rusia, India y
China.
- Latinoamérica y
el Caribe
concentran el
36.3% de las
reservas de agua
potable.
Las restricciones para expandir el área cultivada constituyen
una limitante importante de la producción de alimentos
- Considerando nacimientos y muertes,
la población mundial aumenta
aproximadamente 3 personas por
segundo.
- Teniendo en cuenta la superficie total
de tierra arable, pasturas y bosques, se
pierde 1 hectárea de tierra productiva
cada 7,67 segundos.
Tierra productiva:
8,592,204,508 ha
El uso sustentable del suelo es crítico
para sostener los rendimientos agrícolas
Las distintas formas de degradación de los suelos afecta
a un 20% de la tierra productiva del planeta
Muchas tierras
cultivables se
pierden debido
al exceso de uso
o al mal manejo
de los suelos
La producción
alimentaria
en aumento es el
principal
factor de presión ejercido
sobre los recursos de la
tierra. Esto acentúa
la degradación de los
suelos
y conduce a fenómenos
de desertificación y
pérdida
de los mismos.
Más de 3.500 millones de
ha están afectados por la
desertificación a nivel
mundial. En Sudamérica,
la desertificación afecta
unos 250 millones de ha.
El acceso a la
alimentación de más de
900 millones de personas
corre peligro debido a
que las tierras de las que
dependen están
amenazadas por este
problema.
Los cambios climáticos imponen una rápida adaptación
de los cultivos a nuevas condiciones ambientales
Cambio climático global
• Incrementos de temperatura
• Mayor frecuencia de sequías
• Cambios en los regímenes de lluvias
• Incremento del nivel de los mares
• Aparición de nuevas plagas y
. patógenos
Tendencias decrecientes en el rendimiento
de los principales cultivos
Tendencias en el
rendimiento entre 1968
y 1990 de los cultivares
de arroz
de mayor rendimiento
y el cultivar IR8 en un
ensayos a campo
de largo plazo
realizados en el Centro
Internacional del Arroz
de Filipinas.
Tomado de: Cassman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 1999.
Tasa anual de ganancia genética en el rendimiento de variedades
de trigo y arroz y de híbridos de maíz en relación al año de liberación,
crecidas sin control de estrés biótico y abiótico (con estrés)
y en niveles de rendimiento potencial (estrés mínimo)
Tomado de: Cassman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 1999.
Las tasas de ganancia son lineales en relación al año de liberación y por lo tanto, son
computadas separadamente en relación a los niveles de rendimiento de las liberaciones
más antiguas y más recientes (más viejo y más nuevo). El potencial de rendimiento con
mínimo estrés no ha cambiado para el arroz y el maíz durante el período de estudio.
La demanda de biocombustibles introducirá grandes
tensiones sobre los sistemas agrícolas
Cambios en el consumo energético primario
a nivel global
Escenario de estabilización de carbono
Exajoules por año
Reducciones energéticas
Energía Nuclear
Energía Hídrica
Energía solar y Eólica
Biocombustibles
Combustibles fósiles
Año
Tomado de: Departamento de Energía, USA, 2006.
Los
biocombustibles
podrían
representar más
del 50% de las
fuentes futuras
de energía
en algunos
planteos de
cambio de las
matrices
energéticas
Incremento poblacional y demanda de alimentos.
Demandas cuantitativas y cualitativas
Tm (miles de millones)
Crecimiento
de la demanda
mundial
de alimentos
Tomado de: FAO, 1998.
La demanda de
alimentos es función
del crecimiento
demográfico y
del poder adquisitivo
de la población
La demanda debida al
desarrollo económico
será el principal desafío
para la capacidad de
producción de alimentos
en el futuro
Producción, millones de Tm
Incremento en la
producción mundial de
carne
Carne de cerdo
Carne de vaca
y búfalo
Carne de
pollo
Carne de oveja
y cabra
Producción, miles de Tm
Año
Producción de carne de cerdo
en China.
Año
Se calcula que en el
2020 los países no
desarrollados
dedicarán el 26% de la
producción de cereales
a la alimentación
animal; este porcentaje
alcanzará el 60% en los
países desarrollados
Proyección
de la
demanda
mundial
de cereales
Datos en millones de Tm
Se requiere un aumento de producción
del 45% en 30 años
• Proyecciones estimadas:
- Area cultivable adicional
- Ganancia de productividad
7%
93%
Estos cálculos no tienen en cuenta la
eventual demanda de biocombustibles
Tomado de: James, C. ISAAA Briefs Nº 17, 2000.
No sólo se
requieren
más alimentos,
sino también
mejores
alimentos
Las necesidades
nutricionales no están
debidamente cubiertas
cuando la dieta se basa
en un solo cultivo.
Esta situación es común
en muchos países en
desarrollo.
• La deficiencia de vitamina A afecta a 250 millones de personas
y causa la ceguera de 500.000 niños por año.
• La deficiencia de lisina reduce el valor nutricional de los granos
de cereales.
• La ingesta de glicoalcaloides en las comunidades Andinas
provoca desórdenes alimentarios.
• La ingesta de cianuros debida al pobre procesamiento
de la cassava produce intoxicaciones en situaciones
de escasez de alimentos
• Las deficiencias en hierro, iodo y zinc debilitan a mujeres
embarazadas y a niños y afectan a 2.000 millones de personas.
La demanda de los principales cultivos se ha
incrementado rápidamente en los últimos años
Oferta y demanda
mundial de trigo
Reservas de trigo
Precios históricos
del trigo
Tm x 106
Tm x 106
U$S por Bushel*
Precios mensuales
promedio recibidos
por los agricultores
norteamericanos
Consumo
El consumo
excedió a la
producción en
siete de los
últimos ocho
años
Mundial
Las reservas
de EE.UU. De
2007 fueron
las más
bajas desde
1947
Ajustados por
inflación
Febrero
de 2008:
U$S 10,40
Producción
Sin ajustar
Mercados años
*1 Bushel de trigo = 27,2 Kg
Mercados años
Mercados años
Fuente: Departamento de Agricultura USA, Servicio Nacional de Estadísticas Agrícolas
Requerimientos futuros sobre el sector agrícola
La demanda mundial de alimentos por lo menos
se duplicará hacia el año 2025
Junto con el aumento cuantitativo de la demanda
aumentarán las exigencias de productos de mayor
calidad y valor agregado
Las estrategias productivas deberán contemplar la conservación
de los recursos naturales y la preservación de la biodiversidad
y del medio ambiente
Incremento de productividad de los cultivos.
Mejoramiento clásico y biotecnología
Acciones posibles dentro del mismo marco tecnológico
• Incorporación de nuevas tierras a la agricultura
• Introducción de cosechas múltiples
• Introducción de cultivares de alto rendimiento en
agriculturas subdesarrolladas
• Incremento de la irrigación artificial
• Disminución de pérdidas durante el almacenamiento
y la distribución
Rendimientos
promedios y
potenciales
de los cultivos
de arroz,
maíz y trigo
Rendimientos
promedio en
Kg/Ha (1995-1999)
América
Central
USA
MAX
Argentina
Tomsdo de: FAOSTAT, 2000.
Producción mundial estimada y porcentaje de pérdidas
mundiales por enfermedades, insectos y malezas (1993)
% de pérdidas por
Producción y pérdidas (Tm x 106)
Cultivo
Pérdida
total
por
cultivos
(%)
Producción
(1993)
Producción
potencial
Enfermedades
Insectos
Malezas
1.894
2.800
9,2
13,9
11,4
34,5
Papa
288
425
21,8
6,5
4,0
32,3
Raíces y tuberosas
603
1.057
16,7
13,6
12,7
43,0
Remolacha
282
373
10,4
8,3
5,8
24,5
1.040
2.311
19,2
20,1
15,7
55,0
Leguminosas
57
85
11,3
13,3
8,7
33,3
Vegetales
465
643
10,1
8,7
8,9
27,7
Frutas
371
19
12,6
7,8
3,0
23,4
Café-Cacao-Té
11
484
17,7
12,1
13,2
42,4
Oleaginoasas
245
354
9,8
10,5
10,4
30,7
Cultivos de fibra
42
61
11,0
12,9
6,9
30,8
Tabaco
8
11
12,3
10,4
8,1
30,8
Gomeros
5
7
15,0
5,0
5,0
25,0
Promedio
-
-
11,8
12,2
9,7
33,7
Cereales
Caña de azúcar
Adaptado de: Agrios, Phytopathology, 1997.
Porcentaje de pérdidas estimadas
por estreses bióticos y abióticos
Adaptado de: Buchanan, Gruissem and Jones. Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000.
a
Rendimiento
máximo
Rendimiento
promedio
Pérdidas promedio
(Kg/Ha)
Pérdidas
abióticas
Cultivo
(Kg/Ha)
(Kg/Ha)
Bióticasa
Abióticasb
(% rend. max.)
Maíz
19.300
4.600
1.952
12.700
65,8
Trigo
14.500
1.880
726
11.900
82,1
Soja
7.390
1.610
666
5.120
69,3
Sorgo
20.100
2.830
1.051
16.200
80,6
Avena
10.600
1.720
924
7.960
75,1
Cebada
11.400
2.050
765
8.590
75,4
Papa
94.100
28.300
17.775
50.900
54,1
Remolacha
121.000
42.600
17.100
61.300
50,7
Los estreses bióticos incluyen enfermedades, insectos y malezas. b Los factores abióticos ambientales incluyen, pero
no se limitan a, sequía, salinidad, inundación, y altas y bajas temperaturas.
Las promesas
de la
biotecnología
• Incremento de la eficiencia productiva
• Descenso de los costos de producción
- Menor uso de insumos agronómicos
- Menor uso de insecticidas y pesticidas
• “Desmaterialización” de la producción
- Menor utilización de tierras
- Estructuras de producción más simples
• Habilitación de tierras marginales
• Desarrollo de nuevos productos
- Nutracéuticos
• Vinculaciones con otros campos económicos
- Biocombustibles
- Fármacos
- Biorremediación
• Incremento en los ritmos del mejoramiento
de plantas y animales
Mejoramiento
vegetal por
cruzamiento
genético
P1 (parental 1)
Resistente
P2 (parental 2)
Sensible
X
1
2
3
F1 Resistente
Retrocruza de
F1 con P2
1
2
3
50% P1
25% P1
12,5% P1
6,25% P1
Seis ciclos de
retrocruza con P2
3,12% P1
1,65% P1
7ma retrocruza con una
porción de cromosoma
conteniendo el gen de
resistencia R
La 7ma retrocruza es
resistente y predominan
los genes de P2
0,83% P1
0,42% P1
El uso de
marcadores
moleculares
permite acortar
notablemente
este proceso
Mejoramiento
vegetal por
ingeniería
genética
Genes de resistencia aislados
Gen A
Planta resistente de la especie A
Gen B
Planta resistente de la especie B
Gen C
Planta resistente de la especie C
Construcción
genética con
múltiples genes de
resistencia (A, B y C)
Gen A
Gen B Gen C
Transformación
de la línea de
interés
A, B y C
Múltiple resistencia
en una línea
transgénica
X
Pocas generaciones de retrocruzas
requeriadas antes de identificar una nueva
línea de utilidad
Cultivares
susceptibles para
mejoramiento
Cultivos transgénicos. Evolución del área sembrada
por países (millones de Ha; 1996-2009)
Tomado de: Clive James, ISAAA Brief #41, 2009.
hectarias ¨trait¨
hectarias totales
Fuente: ISAAA, 2007
Paises industrializados
Paises en
desarrollo
La tasa de adopción de los cultivos transgénicos ha sido aún mayor que la de las variedades
híbridas durante la Revolución Verde. Se calcula que en los 25 países (en verde) adoptantes
unos 14 M de productores cultivaron 134 M de Ha de utilizando tecnología transgénica
Tasas de adopción de los principales cultivos transgénicos
en relación al área global del cultivo (millones de Ha)
El 75% del total de la soja sembrada
corresponde a variedades transgénicas
Tasas de adopción de cultivos transgénicos
en relación al área global en Argentina (1996-2008)
99%
100%
90%
80%
74%
60%
40%
20%
0%
96/97
97/98
98/99
99/00
Maíz
00/01
01/02
02/03
Algodón
03/04
04/05
05/06
06/07
07/08
Soja
Fuente: Argenbio, 2008.
La nueva agrobiotecnología tiene muchas caras
• Mejoramiento asistido:
marcadores moleculares, genómica
• Técnicas in vitro:
micropropagación, genética
de células somáticas,
embriogénesis somática
• Cultivos transgénicos
• Diagnóstico de patógenos
• Fitorremediación
• Ingeniería metabólica
• Nutracéuticos y cosmocéuticos
• Biotecnología marina
• Molecular farming
• Reproducción y transgénesis
animal
• Control biológico
• Salud animal
Cinco inquietudes que genera la ingeniería genética
• La aprehensión instintiva
hacia las nuevas tecnologías
• La desconfianza en las
agencias reguladoras
• El predominio de las
corporaciones multinacionales
• La amenaza a la
biodiversidad
• La competencia con los
sistemas de producción
agrícolas alternativos
La envergadura
de los desafíos
requiere la
utilización de
todos los
instrumentos
disponibles
La biotecnología ofrece instrumentos poderosos para el
desarrollo sostenible de la agricultura, la pesca y la actividad
forestal, así como de las industrias alimentarias. Cuando se
integra debidamente con otras tecnologías para la producción de
alimentos, productos agrícolas y servicios, la biotecnología puede
contribuir en gran medida a satisfacer, en el nuevo milenio, las
necesidades de una población en crecimiento y cada vez más
urbanizada (…)
La FAO reconoce que la ingeniería genética puede contribuir a
elevar la producción y productividad en la agricultura, silvicultura
y pesca. Puede dar lugar a mayores rendimientos en tierras
marginales de países donde actualmente no se pueden cultivar
alimentos suficientes para alimentar a sus poblaciones (…)
La FAO apoya un sistema de evaluación de base científica que
determine objetivamente los beneficios y riesgos de cada
organismo modificado genéticamente. (…)
Hay que hacer lo posible para conseguir que los países en
desarrollo en general y los agricultores con pocos recursos, en
particular, se beneficien más de la investigación biotecnológica,
manteniendo a la vez su acceso a una diversidad de fuentes de
material genético. La FAO propone que se atienda esta necesidad
mediante una mayor financiación pública y un diálogo entre los
sectores público y privado.
De la “Declaración de la FAO sobre Biotecnología”
Marcos para el desarrollo
de la agrobiotecnología en Argentina
La agricultura y la economía argentina
Composición de las exportaciones . Primeros 11 meses de 2007
Productos primarios
23%
Manufacturas de origen agropecuario
34%
Manufacturas de origen industrial
31%
Combustibles y energía
12%
Producto Bruto Nacional:
U$S 211.700 M
Exportaciones totales:
U$S 40.898 M
57%
~3% de las
exportaciones
mundiales de
alimentos
Exportaciones de cereales y oleaginosas:
Soja
Aceite de soja
Harina y "pellets" de soja
Maíz
Trigo
U$S 3.225 M
U$S 3.748 M
U$S 5.178 M
U$S 2.141 M
U$S 1.466 M
Fuente: INDEC
La biotecnología podría contribuir al desarrollo
agroindustrial generando valor agregado
• Incremento de la productividad agrícola
- Rendimiento
- Control de pestes y enfermedades
- Habilitación de nuevas tierras
• Valor agregado
- Conversión en proteína animal
- Incremento de la calidad nutricional
- Producción de moléculas específicas
- Producción de biocombustibles y polímeros
• Diversificación
- Cultivos regionales
- Producción animal
- Recursos marinos y acuicultura
La Argentina puede ser un actor
en la generación de agrobiotecnología
Fortalezas:
- Larga tradición en biociencias
- Acceso a rica biodiversidad
- Regulación en bioseguridad y aptitud alimentaria
- Incipiente desarrollo biotecnológico propio
- Buena aceptación pública de la biotecnología
Oportunidades:
- Incremento de la demanda mundial de alimentos
- Incremento de la demanda de insumos derivados
. de la agricultura
- Demanda de insumos bioenergéticos e industriales
- Demanda interna y externa en salud humana y animal
La Argentina puede ser un actor
en la generación de agrobiotecnología
Debilidades:
- Ausencia de políticas agrarias y de ordenamiento ambiental
- Baja inversión de riesgo
- Escasez de algunas competencias profesionales
- Estructuras de transferencia deficientes en el sector público
- Cultura de innovación poco desarrollada (en el sector de
investigación y en el sector productivo)
- Débil desarrollo del marco de propiedad intelectual
- Acceso tardío a campos científicos estratégicos
Amenazas:
- Requerimientos de normas estrictas de calidad
- Restricciones externas derivadas de prácticas proteccionistas
- Desarrollo biotecnológico en otros países no desarrollados
Comisión Nacional de Biotecnología Agropecuaria
(CONABIA, 1991-2008)
• Comisión multisectorial de asesoramiento técnico dependiente
de la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación
Mandato:
1. Asesoramiento en políticas nacionales en bioseguridad
- Otorgamiento de permisos para pruebas con OGMs
- Normativas regulatorias
- Convención de Diversidad Biológica
- Protocolo de Seguridad de la Biotecnología
2. Interacción con entes similares de otros países
- Comparación de marcos regulatorios
- Talleres de intercambio de información
- Asesoramiento institucional
3. Iniciativas de armonización regionales y subregionales
Comité
Técnico
Asesor
(SENASA)
Misión:
Asesorar a las autoridades nacionales sobre los
requerimientos apropiados para el uso de OGMs
para el consumo humano y animal.
Evaluar el cumplimiento de estos requerimientos.
Membresía:
Comité multidisciplinario e interinstitucional de
expertos técnicos del sector público privado,
incluyendo las asociaciones de consumidores,
designado por el Secretario de Agricultura.
Todos los miembros se desempeñan ad honorem.
Especies,
fenotipos,
eventos de
transformación
y solicitantes
de cultivos
transgénicos
aprobados
para uso
comercial
en Argentina
Cultivo
Fenotipo
Evento de
transformación
Solicitante
Autorización
Soja
Tolerancia a
glifosato
“40-3-2”
Nidera
SAGPyA # 167
(25-3-96)
Maíz
Resistencia a
lepidópteros
“176”
Ciba-Geigy
SAGPyA # 19
(16-1-98)
Maíz
Tolerancia a
glufosinato
“T25”
AgrEvo
SAGPyA # 372
(23-6-98)
Algodón
Resistencia a
lepidópteros
“MON 531”
Monsanto
Argentina
SAGPyA # 428
(16-7-98)
Maíz
Resistencia a
lepidópteros
“MON 810”
Monsanto
Argentina
SAGPyA # 429
(16-7-98)
Algodón
Tolerancia a
glifosato
“MON 1445”
Monsanto
Argentina
SAGPyA # 32
(25-4-01)
Maíz
Resistencia a
lepidópteros
“Bt 11”
Novartis
Agrosem
SAGPyA # 392
(27-7-01)
Maíz
Tolerancia a
glifosato
“NK 603”
Monsanto
Argentina
SAGPyA # 640
(13-7-04)
Maíz
Resistencia a
lepidópteros y
tolerancia a
glifosinato
“TC 1507”
Dow
AgroSciences
y Pioneer
Argentina
SAGPyA # 143
(15-3-05)
Maíz
Tolerancia a
glifosato
“NK
“GA-21”
603”
Syngenta
Monsanto
Seeds
S.A.
Argentina
SAGPyA # 640
(22-8-05)
(13-7-04)