REDBIO (Montevideo, Uruguay) Noviembre 2019
BIOTECNOLOGÍA FORESTAL:
RETOS Y
OPORTUNIDADES EN LA ERA VERDE
Arkaute Technology park (Alava)
NEIKER is a Public Technological Research and Development Institute whose mission is to generate knowledge and services that add value to
the Agrofood and forestry sector.
We are
here!
Bizkaia Technology park (Bilbao)
INDICE 1.-IMPORTANCIA DEL SECTOR FORESTAL-MADERA EN LA ERA DE LA BIOECONOMÍA. 2.-PRODUCTOS FORESTALES: COMO INCREMENTAR SU VALOR. 3.-ESTRATEGIAS PARA LA PRODUCCIÓN DE LOS SUPER ÁRBOLES EN EL SIGLO XXI. A.-Desarrollo de sistemas de propagación de alta eficiencia Organogénesis Embriogénesis somática Automatización de los sistemas de cultivo Semillas manufacturadas Limitaciones actuales y retos Métodos combinados B.-Modular la tolerancia a estrés hídrico
BIOECONOMÍA: ¿CÓMO SE DEFINE?
La bioeconomía abarca la producción de recursos biológicos renovables y la
conversión de estos recursos y e residuos en productos con valor añadido, como
alimentos, piensos, bioproductos y bioenergía.
Fuente: Comunicación de la comisión de bioeconomía al parlamento europeo (2012).
Afecta a sectores como la agricultura,
la biotecnología, la química, los
alimentos, los bioplásticos y el sector
energético.
Sus sectores e industrias tienen un
fuerte potencial de innovación debido
a que utilizan una amplia gama de
ciencias y tecnologías industriales.
Se consideran la valorización de los residuos y los co-productos, desde los residuos sólidos urbanos hasta el CO2, pasando por los co-productos de la industria agro-alimentaria.
ECONOMÍA DE MATERIAS PRIMAS
Aumento población Consumo de recursos Generación de residuos Efecto del cambio climático
MODELO SOCIOECONÓMICO
AGOTADO
MODELO ECONÓMICO CIRCULAR
MODELO ECONÓMICO LINEAL
ESTRATEGIA ECONOMIA CIRCULAR: BIOREFINERIA
Emplea materias primas obtenidas directamente de la biomasa, como residuos y los transforma en: compuestos químicos, ingredientes, productos intermedios o finales para el sector farmaceútico, alimenticio, construcción, transporte, energía, etc…
¿Y CÓMO CONSEGUIMOS BIOMASA?
La OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos) en 2009 estimaba que la biotecnología puede contribuir hasta un 2,7% del PIB para el 2030.
BIOTECNOLOGÍA?
BIOTECNOLOGÍA Y BOSQUES PRODUCTIVOS
¿CON QUÉ NECESITAMOS REFORESTAR?
Monolignoles son interesantes
reactivos de partida para la
producción de compuestos aromáticos
de alto valor añadido en la industria
petroquímica.
NECESITAMOS BOSQUES SOSTENIBLES PERSPECTIVAS EN EUROPA……
Gestión forestal sostenible: consiste en la explotación de los bosques y superficies forestales de tal manera y con tal intensidad que se preserven su biodiversidad, productividad, capacidad de Regeneración, vitalidad y potencial para cumplir, ahora y en el futuro, funciones ecológicas, económicas y sociales significativas tanto a nivel local y nacional como global, sin ocasionar daños a otros ecosistemas. Fuente: Conferencia Ministerial para la Protección de los Bosques de Europa (Helsinki, 1993).
https://www.cuerpomente.com/salud-natural/terapias-naturales/como-tomar-bano-bosque_1575
Supervivencia Productividad
Temperaturas Disponibilidad de agua
Mejorar la productividad forestal en términos cualitativos y cuantitativos
¿Cómo podemos aumentar la productividad forestal?
1st Alternativa: Desarrollo de sistemas de propagación de alta eficiencia
Inconvenientes:
Evaluar características deseables en fases maduras, mientras que
su multiplicación se limita a las fases juveniles
La mejor alternativa de producción de planta de alta calidad
es la multiplicación vegetativa de individuos seleccionados
que hayan expresado características fenotípicas de interés.
PROGRAMAS DE MEJORA
MEJORA CLÁSICA Polinización
controlada,
establecimiento de
huertos semilleros,
estaquillado, etc.
NUEVAS HERRAMIENTAS
BIOTECNOLÓGICAS:
CULTIVO IN VITRO
Organogénesis,
embriogénesis, etc.
PROPAGACIÓN VEGETATIVA
ORGANOGENESIS DE SEMILLA
ORGANOGENESIS DE YEMAS: INDIVIDUOS ADULTOS
Bajo % enraizamiento
Revigorización transitoria
Y más…..
ENTONCES, ¿CUAL ES EL PROBLEMA?
SEGÚN AUMENTA LA EDAD DEL DONANTE, SE PIERDE EL POTENCIAL MORFOGÉNICO
¿HACIA DONDE VAMOS?
SILVICULTURA MULTIVARIETAL
CONSERVACIÓN RECURSOS GENÉTICOS
Embriogénesis somática
(1) Selección de los padres élite
(2) Polinización controlada
(3) Desarrollo lineas embriogénicas (SE)
(9) Reconstrucción del pedegree usando
marcadores moleculares
(5) Ensayo de las variedades en el plantaciones
(8) Implementación en MVF
(11) Combinación de nuevos genotipos
como sea necesario
(10) Selección de la siguiente generación de padres
(6) Selección de variedades
(7) propagación masal
SILVICULTURA MULTIVARIETAL MEDIANTE EMBRIOGÉNESIS SOMÁTICA
(Park, 2007)
(4) Almacenamiento crio de variedades (SE)
Controlled crosses in ARBORGEN Pinus
taeda seed orchard (Charleston).
Photo: Dave Gerwig
PRODUCCIÓN COMERCIAL: SILVICULTURA MULTIVARIETAL
CellFor, Inc., Victoria, Canada
• Variedades de Pinus taeda de alto valor, obtenidas
por embriogénesis
• 6 millones en 2006
– 24 millones en 2007
– Vendidas en el sur de Estados Unidos de América
ArborGen, Summerville, USA Park, 2007
Romero JL – CELLFOR (2007) Producción comercial de Pinus taeda usando embriogénesis somática. Biotecnologia Forestal, Biowork IX, Brasil
Picea mariana
Picea glauca
Park, 2018
Ganancia genética Silvicultura multivarietal vs
Mejora basada en huertos semilleros
AUTOMATIZACIÓN DE LOS CULTIVOS
Fuente: Ulrika Eggersdotter. Swee Tree Technologies (Suecia). Aidun C.K.,Egertsdotter U. (2018) SE Fluidics System. In:Jain S. M., GuptaP. (eds), Step Wise Protocols for Somatic Embryogenesisof Important Woody Plants, Volume 1, second edition, Forestry Sciences 84. Springer International Publishing AG. Cham, Switzerland. p. 211-227. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89483-6_19
BIOREACTORES vs. PLACAS PARA PRODUCCIÓN EMBRIONES
40 cell lines tested,
90% works
Reduced productivity
after 1 year (?)
Possibilities to
synchronize
Over 100 cell lines in
SE automation
development
Reduced productivity
after 1.5 years or more
7 w to harvest
Yield:
380 embryos/g (AVR MED)
800 embryos/g (AVR TOP)
Total 3 ml medium/embryo
9-11 w to harvest
Yield:
50 embryos/g (AVR MED)
75 embryos/g (AVR TOP)
Total 2 ml medium/embryo
Petri plate
embryo
production
Bioreactor
Embryo
production
¿Y QUE HACEMOS CON TODOS ESOS EMBRIONES?
SEMILLAS SINTÉTICAS O ARTIFICIALES
LIMITACIONES
•Problemas de conservación
•Bajo porcentaje de germinación
•Baja tasa de conversión en planta
•……..
•……..
Fuente: J. F. Martínez
SEMILLAS MANUFACTURADAS
Dead-end seal
Artificial Gametophyte Cavity Filler Primary End Seal
Lid
Cotyledon Restraint
Embryo
Tertiary end Seal
Seed Coat with anti-microbial
coatings
Weyerhaeuser has a broad patent portfolio for the manufactured seed technology
https://www.weyerhaeuser.com/
Cortesía:
Pramod Gupta
Ejemplos de ensayos con diferentes especies
Douglas-fir (above) and loblolly pine (below)
somatic embryos germinated in greenhouse
(14 days past sowing)
Fuente: Weyerhaeuser (https://www.weyerhaeuser.com/)
GERMINACIÓN DE SEMILLAS MANUFACTURADAS
Fuente: Pramod Gupta (http://treesforthefuture.tech/Gupta_Technology.html)
Douglas-fir somatic
embryos germinated
from manufactured
seed in greenhouse
Douglas-fir somatic
embryos germinated via
3-step process (In-vitro ->
miniplug in greenhouse –
> large pot.
Embryos used were from same
source and at same time
SEMILLAS MANUFACTURADAS vs. EMBRIONES DESNUDOS
Fuente: Pramod Gupta (http://treesforthefuture.tech/Gupta_Technology.html)
• Producing 10 million Mseed per year
– Line of sight to 100 million
• Designed as stand-alone system – No need for expensive clean
room spaces
• Fully automated – Minimal labor costs
• Easily Multiplexed – Low additional labor
requirements with additional machine centers
SEMILLAS MANUFACTURADAS: PLANTA PILOTO DE OPERACIONES
Fuente: Pramod Gupta (http://treesforthefuture.tech/Gupta_Technology.html)
PORCENTAGES DE INICIACIÓN Y PROLIFERACIÓN
EXITO EN EL PROCESO DE MADURACIÓN
TASAS DE GERMINACIÓN
ESTRECHA VENTANA DE COMPETENCIA
EMBRIOGÉNESIS SOMÁTICA: LIMITACIONES
BAJA SINCRONIZACIÓN EN LA CONVERSIÓN
EMBRIOGÉNESIS SOMÁTICA: LIMITACIONES
PORCENTAJES DE INICIACIÓN Y PROLIFERACIÓN
EXITO EN EL PROCESO DE MADURACIÓN
TASAS DE GERMINACIÓN
ESTRECHA VENTANA DE COMPETENCIA
When using immature seeds for SE initiation, the competence window is
narrow, around 4 weeks.
DESARROLLO DE NUEVOS MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE MATERIAL
ÉLITE (Embriogénesis secundaria, Métodos Combinados, etc…)
Bajas frecuencias de iniciación en algunas especies cuando se utilizan semillas maduras como explanto inicial.
A veces, incluso con todas las optimizaciones posibles, se obtiene poco éxito en el proceso de maduración. Algunas líneas celulares son recalcitrantes a la crioconservación. Algunas líneas celulares crioconservadas presentan nulas o bajas tasas de regeneración después de los ensayos en campo.
Y MAS LIMITACIONES….
Development of a combined somatic embryogenesis and organogenesis protocol METODOS COMBINADOS:
EMBRIOGENESIS SOMATICA + ORGANOGENESIS
150 embryos/100 mg ET
>19 shoots/embryo
60 % rooting
ORGANOGENESIS
METODOS COMBINADOS: EMBRIOGENESIS SOMATICA + ORGANOGENESIS
1st Alternativa: Desarrollo de sistemas de propagación in vitro
¿CÓMO PODEMOS AUMENTAR LA PRODUCTIVIDAD FORESTAL?
Supervivencia Productividad
Temperaturas Disponibilidad de agua
2ª alternativa: Modular la tolerancia a
estrés hídrico
HIPOTESIS DE TRABAJO
Las semillas de Picea abies “recuerdan” las temperaturas (Johnsen et al. 2005a) y el fotoperiodo (Johnsen et al. 2005b) al que han sido sometidos durante la embriogénesis zigótica y la maduración de las semillas.
2 g/L
3 g/L
4 g/L
2 g/L
3 g/L
4 g/L
Initiation Proliferation Maturation Germination
18 ºC
EDM
23ºC
4.5 g/L 9 g/L 7 g/L
2 g/L
3 g/L
4 g/L
23 ºC
28 ºC
INDUCCIÓN DURANTE LA INICIACIÓN DEL TEJIDO EMBRIOGÉNICO
LP
INITIATION EXPERIMENT
a
a
b
0
5
10
15
20
25
18 23 28
Inic
iació
n (
%)
Temperatura (ºC)
INICIACIÓN DEL TEJIDO EMBRIOGÉNICO
0
100
200
300
400
500
600
18 23 28
Nº
em
bri
on
es s
om
áti
co
s/g
p
eso
fre
sco
Temperatura (ºC)
ab b
a
POSIBLES APLICACIONES A CORTO PLAZO
Influencia a largo
plazo
INICIACIÓN
Líneas
celulares 18ºC – 4 gL-1
DIVERSIDAD
GENÉTICA
Eficiencia
proceso 28ºC – 4 gL-1
EMBRIONES
SOMÁTICOS
• Estadios tempranos del proceso embriogénico tienen un marcado efecto en el
proceso embriogénico en P. radiata.
18º
C
23º
C
28º
C
Initiation
Proliferation, Maturation and
Germination
Stressed plants
Control plants
ESTUDIOS FISIOLÓGICOS Y –OMICOS: DISEÑO EXPERIMENTAL
• Water status determination
• Protein profile
• Metabolites
• Ultrastructure
• Gas exchange parameters
• Phytohormone concentration
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
WU
E
Time
WUE
D 28ºC
W CONTROL
D 23ºC
D 18ºC
VARIABLES FISIOLÓGICAS
¿Y SI AUMENTAMOS EL ESTRÉS?
¿Y SI AUMENTAMOS EL ESTRÉS? El estrés por temperaturas elevadas provoca un incremento de células suspensoras durante las fases de iniciación y proliferación. Temperaturas extremas durante cortos periodos promueven la formación de áreas de células embriogénicas mas grandes y mejor organizadas.
METABOLITOS INVOLUCRADOS
El estrés térmico provoca
modificaciones en el perfil
metabólico del tejido
embriogénico:
Ribósidos de citoquininas y
Acumulación de tirosina e
isoleucina.
¿Y AHORA QUÉ?
Estudiar qué mecanismos utilizan las células para
incrementar su tolerancia a estrés.
• Expresión génica
• Patrones de metilación
• Proteómica
• Y más….
Evaluar el comportamiento en situación de estrés ex vitro
Colaboradores además de amigos¡
Dr. Mariano Toribio (IMIDRA, España)
Dr. Isabel Arrillaga (Universidad de Valencia, España)
Dra. Mari Carmen San José (CSIC-Galicia, España)
Dr. Jorge Canhoto (University of Coimbra, Portugal)
Dr. Strnad (Palacky University, Czech Republic)
Dr. Miguel Pedro Guerra (University of Santa Catarina, Brasil)
Dra. Petronia Carillo (University of Campania, Italia)
Dra. Hargreaves (SCION, Nueva Zelanda)
Dr. Jean Francois Trontin (FCBA, Francia)
Dra. Andrea Rupps (University of Berlin, Alemania)
Dra. Ulrika Egerstdotter (UPSC, Suecia)
Dra. Tuija Aronen (Luke, Finlandia)
Future meeting 8th PEMP – International Symposium on Establishment and Production of Micropropagated Plants – new challenges for old techniques
June 21-26, 2020
University of Coimbra, Coimbra, Portugal
www.ishs.org https://www.uc.pt/en/uid/biotec/events/pempishscoimbra2020
¡¡GRACIAS¡¡