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¡¡