Disertante: Dr. Atilio Pedro Castagnaro

Perspectivas sobre el uso de

caña transgénica en las

agroindustrias azucareras

XX Congreso de Técnicos Azucareros de Centro AméricaXIII Congreso de Técnicos Azucareros de Guatemala

Antigua de Guatemala, 10-14 de Agosto de 2015.

Contenido

La EEAOC y el ITANOA

Caña de azúcar en Argentina y Tucumán

Caña de azúcar en la EEAOC

Cultivos transgénicos

Proyecto: transgénesis de caña de la EEAOC

Nuestra visión del futuro de la caña de azúcar

Nuevos desarrollos transgénicos de caña

Conclusiones

La EEAOC

Instituto Agroindustrial de la Provincia de Tucumán 106 años de actividad Cultivos principales: caña de azúcar y sorgo (Programa CA), soja, poroto y garbanzo (Programa Granos), limonero (Programa Citrus)

Organización EEAOC

Directorio

Constituido por 10 miembros ad honorem designados por el PE.

Representantes de las actividades: azucarera, citrícola, oleaginosa ycerealera, hortícola, tabacalera y ganadera de la Provincia.

Autoridades Técnicas

Director Técnico

4 Directores AsistentesTecnología Agropecuaria (DATA)Tecnología Industrial (DATI)Disciplinas Especiales (DDE)Administración y Servicios (DAS)

Personal

Investigadores y técnicos 121Becarios y Capacitantes 90Pasantes ad honorem 26Personal de apoyo 188

425

Programas de investigación

EEAOC

Organización detipo matricial

• Biorrefineria

• Biocombustibles

• Transferencia de genes por ingeniería genética y nuevas técnicas de

mejoramiento genético en cultivos de importancia regional

• Genética y genómica en cultivos de importancia regional

•Desarrollo de bio-insumos para incrementar la sostenibilidad de las

agroindustrias de importancia en noroeste argentino

• Bases ecológicas y genéticas de las interacciones planta-plagas para el manejo

fitosanitario sostenible de los principales cultivos del noroeste argentino

Proyectos de desarrollo tecnológico y social:

Instituto de tecnología agroindustrial del noroeste argentino (ITANOA)

Instituto de doble dependencia EEAOC-CONICET constituido en 2013

• 34 investigadores, 18 becarios, 7 técnicos

La estructura laboral de la caña de azúcar constituye el sector agroindustrial que genera la mayor cantidad de puestos de

trabajo en el Noroeste Argentino.

La producción de caña de azúcar enArgentina se concentra en el noroestedel país (Tucumán, Salta y Jujuy) y enel litoral (Misiones y Santa Fé).

Argentina tiene 375.000 ha con cañade azúcar ------------ 1,8 millones de tnde azúcar

Tucumán tiene 265.000 ha con cañade azúcar-------------- 1,4 millones detn de azúcar

Caña de azúcar en Argentina

La caña de azúcar en

Tucumán

15 fábricas azucareras.

66% producción argentina de azúcar.

265.000 ha plantadas: el 75% del área con caña de azúcar del NOA.

Más de 5.500 cañeros (4.500 con menos de 50 ha) representando el 99% de los cañeros del NOA.

10% de las plantaciones integradas con ingenios.

Alrededor del 33% del producto geográfico bruto (PGB) provincial.

Caña de azúcar: 40% del Sector Agrícola.

Agroindustria azucarera: 37,2% del Sector Industria Manufacturera.

Generación de nuevos cultivares: el Programa de Mejoramiento Genético de la Caña de Azúcar de la EEAOC y el Proyecto Biotecnología.

Mejoramiento del manejo del cultivo: el Programa Agronomía de la Caña de Azúcar de la EEAOC.

Producción de caña semilla saneada de alta calidad: el Proyecto Vitroplantas.

Mejoramiento de la capacidad industrial para la producción de azúcar, de alcohol y de electricidad: Programas Industrialización y Bioenergía.

Manejo y aprovechamiento de residuos industriales: Proyecto Medioambiente.

Caña de azúcar:

INVESTIGACIÓN – INNOVACIÓN - MEJORAS TECNOLÓGICAS

Colección de germoplasma

Selección de progenitores, inducción de floración y cruzamientos.

Siembra de semilla botánica y crianza de poblaciones de plantines iniciales.

Plantines Individuales (genotipos distintos). Etapas de selección clonal intermedias. Ensayos Variedades Internos y Regionales.

Difusión comercial de variedades

Programa de Mejoramiento Genético de

la Caña de Azúcar (EEAOC)

Multiplicación de semilla saneada de nuevas variedades (Proyecto Vitroplantas)

Selección a campo de

clones superiores

Tiem

po

: 11 a 15 año

s

Área de cámaras e

invernaderos

Generación, multiplicación y difusión

acelerada de cultivares de caña de

azúcar. El Programa de Mejoramiento

Genético produce germoplasma

comercial, que es saneado, multiplicado

masivamente y distribuido

aceleradamente a través del Proyecto

Vitroplantas, asegurando sanidad, vigor

e identidad genética, lo que impacta

directamente en la productividad.

Implantación de meristemas

Enraizamiento

Multiplicación masiva

Aclimatación en invernadero

Campos semilleros

Semilleros en la provincia

1

2

3

4

5

6

Proyecto Vitroplantas de la EEAOC

Sistema de micropropagación optimizado + método de evaluación de la variación somaclonal y epigenética

Garantiza pureza y calidad genética

Estudios genéticos mediante AFLP, SSRs,

MSAPs y TRAPs

• Achaparramiento RSD (Leifsonia xyli subsp. xyli)

• Escaldadura LS (Xanthomonas albilineans)

•Estría roja (Acidovorax avenae)

• Mosaico de la Caña de Azúcar (SCMV y SrMV)

•Amarillamiento de la hoja (SYLV)

•Roya marrón (Puccinia melanocephala)

•Roya naranja (Puccinia kuenhii).

RSD LS SCMV

Roya marrónSCYLV

Diagnóstico molecular de los siguientes patógenos:

64,869,3

69,2

81,7

8,1

7,0

7,8

6,355

60

65

70

75

80

85

World

average

Tucuman 10 major

producers

10 Most

productive

producers

6

6,5

7

7,5

8

8,5Sugarcane (t/ha) Sugar (t/ha)

Análisis comparativo de la

productividad de la caña de la azúcar:

3942 43

46

52 51 52 53

63 63 6562 61

3940

54

5251

69

5152

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

t/ha

Tucumán: rendimientos culturales

(1990-2010)

Incremento de la productividad

Datos: CAA

Mejoramiento convencional de cañade azúcar:

El mejoramiento clásico en caña de azúcar es una tarea de Sísifo:

La gran cantidad de los logros anteriores se pierden cada vez que se buscan introducir nuevos caracteres.

Lleva mucho tiempo obtener una nueva variedad (11-15 años).

Es un cultivo con una genética extremamente compleja, con varias copias de cada gen (5-14) y con una herencia asimétrica.

Saccharum officinarum2n=80

Saccharum spontaneum2n=40-128

BC2 > Transmisión cromosómica simétrica

F12n=100-144

BC1 2n=130-152

2n=80 n=20-64

2n=80 n=50-72

2n=80

BC2

Cultivares modernos

Transmisión cromosómica asimétrica

NOBILIZACIÓN

S. o.

S. o.

La transgénesis en caña de azúcar:

Ventajas:Aproximación enfocada a mejorar uno o pocos caracteres sin cambiar el progreso genético (chasis) conseguido por mejoramiento clásico.

Rápido: 1-2 años para obtener un prototipo (tiempos)

Se necesita analizar entre mil y 10 mil veces menos individuos (costos).

Obtención de variedades elite instantáneamente.

Solamente se desregula donde se cultiva.

Desventajas:Opinión pública (información engañosa, aceptación del azúcar)

Desregulación comercial (trabajo arduo y costoso)

Pocos caracteres (tolerancia a herbicidas y resistencia a plagas)

Evolución del área global cultivada con OGMTotal 181,5 millones de hectáreas

Objetivo:

Contribuir con el crecimiento económico de Tucumán

desarrollando una producción sucro-alcoholera

ambientalmente más sostenible y con equidad social,

posibilitando la producción en áreas convencionalmente

marginales y optimizando nichos productivos

agroecológicamente diferenciados para alimento y

bioenergía.

El Proyecto Transgénesis de la Caña de

Azúcar de la EEAOC

Los pasos para comercializar un evento transgénico en Argentina

Desarrollo del vector propio

Desarrollo del sistema de transformación genética

Definir característica de interés:

• Tolerancia a glifosato• Resistencia a Diatraea• Tolerancia a sequía

Estudio de la PI

Generar líneas transformadas• 50-100 eventos• Seleccionar candidatos

Verificación molecular

Ensayos de invernáculo

Ensayos de campo

Estudios químicos

Estudios agronómicos

Estudios impacto medio ambiente

Estudios impacto salud humana y

animal

Estudios sobre efectos económicos

FASE I FASE II FASE III

SENASACONABIACONABIA

La Dirección Nacional de Mercados Agroalimentarios

Propagación variedad Comercialización

A

B

C

Prueba de concepto

• Expresión de la enzima 5-enolpiruvil-shikimato-3-fosfato sintasa(EPSPS) proveniente de Agrobacterium tumefaciens en variedades de caña de azúcar de la EEAOC.

• En una primera etapa se liberará comercialmente una variedad elite RA 87-3.

• Propósitos y desafíos: • Mejorar el rendimiento (cultivo monocotiledónea y semiperenne)• Bajar costos de producción (extender producción 1 año)• Bajar uso de herbicidas convencionales• Prueba de concepto para el proceso de desregulación

¿Por qué una caña de azúcar tolerante

a glifosato?

Transformación genética:

Etapa de Laboratorio

Multiplicación y prueba de concepto en invernadero

RA 87-3

SusceptibleToleranteCONABIA resolución Nº 200/2008

43 sobrevivieron el proceso in vitro17 alta tolerancia a glifosato 5 tolerancia moderada21 susceptibles

30 días posteriores a la aplicación

Multiplicación y prueba de

concepto a campo

Antes tratamiento de glifosato

CONABIA Resolución Nº 114/2009

17 tolerantes a glifosato6 mostraron fenotipo y modo de crecimiento parecido a la variedadparental RA 87-3 (líneas 15; 18; 22; 27; 28 y 37)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

23

36

29

6

27

15

TUC 95-24

LCP 85-384

18

22

28

37

RA 87-3*

RA 87-3

TUC 97-7

Figure: Genotypic evaluation of transformed lines using molecular markers: a) TRAP fragments generated using SuPS2 + Arbi 2

primers. 1: LCP85-384; 2: TUC97-7; 3: TUC95-24; 4: RA87-3 micropropagated control; 5-10 transgenic lines(15; 18; 22; 27; 28 and 37

respectively); 11: RA87-3 conventional propagated control; 12-15 transformed lines (6; 29; 36 and 23 respectively) with a distinct growth

phenotype. b) Dendrogram of the four sugarcane genotypes and the transgenic lines of RA87-3 based on 339 allele analysis from 9

TRAP primer combinations when using Jaccard coefficient and UPGMA clustering method with InfoStat, presented as distance (1-S, S:

similarity). Lines represented similarity of 0.99; 0.78 and 0.68.

Caracterización genética

con marcadores TRAP

Ensayos de campo Fase II

2011-2014

Ambiente 1 La Chacra

Exp. S01:0190521/2011

Planta 2012

Planta 2012

Soca 1 2013

Soca 1 2013

Ambiente 2 EEAOC

2006 2008 2009 2010 2011 2012 20132007

Optimización del proceso y obtención de

plantas transgénicas

Multiplicación en semillero a

campo (Res.114/2009)

Ensayo campo : aplic.

Glifosato (Res.114/2009)

Aclimatación y multiplicación

de líneas transgénicas en

invernadero (Res.200/2008)

51 líneas transgénicas

EEAOC

Chacra

Ensayos en dos localidades (Res.

621/2011)

6 líneas transgénicas2012: EEAOC representación en CONABIA (Comisión Nacional Asesora de Biotecnología Agropecuaria)

2014 2015

Selección de un evento

para comercializaci

ón

Presentación fase II en

CONABIA y SENASA (Servicio

Nacional de Sanidad y

Calidad Agroalimentar

ia)

2012: Inicio etapa desregulatoria con presentación de consulta previa

El camino para la desregulación:

2012: La Chacra y EEAOC miembros de CONABIA.

2012: Primera consulta previa en CONABIA para liberar un evento transgénico.

2013: Reunión de la CONABIA en Salta y Tucumán (EEAOC). Primera reunión

de CONABIA fuera de Buenos Aires.

2013: Resolución 318. Sistema simplificado para la evaluación de nuevas

variedades en un cultivo, que contengan construcciones genéticas

esencialmente equivalentes a las incorporadas en eventos ya liberados.

2013: Resolución 661. Permiso para multiplicar agámicamente caña de azúcar

OVGM en proceso de desregulación para la producción de caña bajo

condiciones reguladas (no liberada todavía).

2015: Resolución 97. Definición de criterios para priorizar entre eventos

transgénicos en desregulación comercial en Argentina.

2015: Presentación de la documentación de Fase II (CONABIA y SENASA).

Cambios en la legislación para la

desregulación de eventos

transgénicos:

Para poder utilizar en caña de azúcar esta poderosa herramienta de la transgénesis por sus beneficios en costos, tiempos y sustentabilidad ambiental (sostenibilidad económica, ambiental y social), es necesario cambiar la legislación y la manera de evaluar las variedades obtenidas con esta tecnología.

¿Por qué la transgénesis en

caña de azúcar?

Cambio climático (mitigación, resiliencia, etc.)

Incremento de la sostenibilidad

Aumento de la productividad vertical

Bioenergía (expansión del cultivo hacia ambientes marginales)

Bioetanol de segunda generación (degradación lignocelulosa)

Nuevos productos (biorrefinería)

Parte de la solución energética está

en la biomasa vegetal:

Cultivos de alto rendimiento (> 50 tn/ha)

Alta eficiencia de conversión de biomasa en energía (75%)

100-150.000.000 ha para reemplazar consumo de petróleo

(niveles de 2010)

Factible sin usar tierra de producción de alimentos/forraje

El candidato: la Caña de azúcar…

La posible expansión de

caña en Argentina

Matriz energética

Argentina:

No renovables = 87%

Renovables = 9%

Brasil

No renovables= 49%

Renovables = 45%

Comunidad Europea (2020)

No renovables = 50%

Renovables = 50%

350.000 Ha (2012)

2.000.000 Ha

Desarrollo de biorrefinería

basado en la industria

alco-azucarera

• Biofertilizantes– Compost

– Microorganismos

• Químicos– 2,3-butanodiol

BioetanolCombustible (Primera generación*)

Industrial (farmacéutico y alimentos)

Fino (ron)

Levadura Fermentación industrial

Probióticos secados para consumo humana y animal

*Futuro segunda generación biocombustibles

• Eficiente uso de nitrógeno (EUN)Caña de azúcar necesita relativamente alta cantidad de Nitrógeno. Baja eficiencia de uso 10-40%. Poco conocimiento sobre la interacción con microorganismos fijadores de nitrógeno.

i. AlaAT (cebada)ii. ZmDof1 (maíz)

Para incorporar nitrógeno al suelo se usa el 2% de toda la energía (global) producida, por lo que para aumentar la sostenibilidad de la agricultura es muy importante reemplazar la fertilización nitrogenada convencional.

• Producción de biomasa• Reguladores de crecimiento vegetal (brasinoesteroides)• Retrasar inducción de floración• Metabolismo de fósforo• (fotosíntesis, enzimas claves de metabolismo de carbono)

Futuros desarrollos transgénicos para

la sostenibilidad agronómica:

Pensando en…

Nuevos herbicidasEl uso extensivo de glifosato (>700.000 tn en 2012) está causando la aparición de malezas resistentes (32 especies en 2015) y generando preocupación en la salud humana, lo que incentiva a buscar nuevas tecnologías de herbicidas.

i. Fosfitoii. Alelopatía (sobreexpresión de compuestos alelopáticos de plantas o de

tolerancia a un compuesto que perjudica el crecimiento de las plantas)iii. Bioherbicidas (expresión transgénica de compuestos de origen natural

que afectan el crecimiento de malezas; también puede ser expresión de tolerancia)

Futuros desarrollos transgénicos para

la sostenibilidad agronómica:

Pensando en…

Expansión del cultivo y

respuestas al cambio climático

• Tolerancia a sequía

•Tolerancia a frío

•Tolerancia a salinidad

•Resistencia a enfermedades

• Resistencia a plagas

Los dos factores más importantes para una expansión importante del cultivo en Argentina son: tolerancia a estrés hídrico y bajas temperaturas.

Futuros desarrollos transgénicos para

el área industrial: Acumulación incrementada de azúcares

i. IsomaltulosaAzúcar no metabolizada en plantas, uso en producción de biocombustibles,

edulcorante no cariogénico, uso industrial etc.ii. Disminución de Fructosa-1,6-bisfosfatasa (FBPasa)iii. Sobre expresión de Sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa (SBPasa)

Producción de etanol de segunda generaciónMayores obstáculos para refinerías de biomasa son los costos de pretratamiento y producción de celulasas para convertir lignocelulosa en azúcares fermentables.

i. Reducir y/o cambiar estructura de la lignina ii. Producción de celulasas y hemicelulasas (autodigestión)iii. Enzimas con múltiple acción (quimeras)

Producción de compuestos de valor agregadoi. Proteínas recombinantesii. Otros compuestos (metabolitos secundarios)

Conclusiones:

Nuestro propósito es convertir a la caña de azúcar en un cultivo estratégico para Latinoamérica, tanto para producir alimentos como energía, porque al no exportar propágulos biológicos no es necesario desregular en terceros países.

La transgénesis es una herramienta de mejoramiento muy importante para conseguir este propósito expandiendo el cultivo y aumentando su productividad.

Es importante desarrollar un sistema de transformación, regeneración y multiplicación robusto para el cultivo y usar genes de libre disponibilidad.

Es necesario cambiar las normas de desregulación comercial para el uso seguro y óptimode la tecnología en caña de azúcar y otros cultivos.

Nuestros futuros desarrollos de transgénesis en caña de azúcar incluirán:• Tolerancia a estrés abiótico y biótico• Uso eficiente del nitrógeno• Modulación de la estructura de la pared celular

¡La transgénesis manejada y regulada responsablemente por los Estados, es una oportunidad para aumentar la sostenibilidad de una agroindustria clave para el DESARROLLO LATINOAMERICANO!

Adler, ConradoBudeguer, FlorenciaCastagnaro, Atilio PedroChalfoun, Nadia Cuenya, María Inés Dantur, KarinaDíaz, María ElenaEnrique, RamónFilippone, María Paula, Noguera, Aldo, Ostengo, SantiagoOvejero, NataliaPaz, NoraPerera, FranciscaRacedo, JosefinaSoria, María JoséWelin, Björn

¡ Muchísimas gracias!

Grupo Biotecnología de Caña