TECNOLOGIA Y SEGURIDAD ALIMENTARIA BIOFORTIFICACION EN CULTIVOS ALIMENTICIOS: RETOS Y PERSPECTIVAS Mario Roberto Fuentes L贸pez Email: mfuentes@icta.gob.gt mrfuentesl@yahoo.es ICTA Strategic Research
Tactical Research
Producer Beneficiary
Target population
Contenido • • • • • • • •
Introducción Situación global y nacional de la alimentación Conceptualización de la biofortificación La línea base La inocuidad de alimentos Estrategia Avances Impactos Strategic Research
Tactical Research
Producer Beneficiary
Target population
ICTA
Quienes somos ? • • • •
•
Proyecto Global Colaboración horizontal Incluye principales cultivos alimenticios Participación Institucional Centros Nacionales de Investigación: ICTA, Embrapa Centros Internacionales: CIAT, CIMMYT, otros Universidades, Organizaciones Privadas Países prioritarios caso maíz: Guatemala, Brasil, Etiopia, Zambia, Ghana Strategic Research
Tactical Research
Producer Beneficiary
Target population
Grupo Maiz HarvestPlus
impact Hugo De Groote
breeding
& adaptive breeding
Baffour Badu-Apraku David Beck Abebe Menkir Natalia Palacios Kevin Pixley
Mario Fuentes Paulo E. Guimaraes Catherine Mungoma Peter Sallah* Dagne Wegary
Peter Beyer Torbert Rocheford Dean DellaPenna Ray Glahn Mike Grusak Robin Graham Steve Rodermel James Stangoulis Kan Wang
genomics
nutrition/biochemistry
David Mowbray
communications
nutrition Lucie Malaba Natalia Palacios Wendy White
Bussie Maziya-Dixon Marilia Nutti
Girma Akalu Nilupa Gunaratna
food technology
nutritional impact
Visión Estratégica Seguridad alimentaria nacional, regional, mundial
•
Acceso, calidad y disponibilidad
•
Problemas de pobreza, hambruna y malnutrición
•
Demanda/oferta de alimentos
•
Salud y su relación con alimentos
Importancia de la Vitamin (VA) • Esencial para – – – –
Sistema visual Crecimiento/desarrollo Función inmunológica Reproduccion
• Causas de deficiencia – Ceguera – Decrese la inmunidad – Incremento de la morbilidad y mortalidad
Deficiencia de Fe, vitamina A y yodo (USAID map)
Steve Beebe, May 2005
Guatemala: alto problema con deficiencia de Provitamina A, Hierro y Zinc
Se refleja con serios problemas de anemia en ni単os entre 6-35 meses. Afecta alrededor de un millon de infantes
Guatemala (2000): Prevalecencia de la desnutrición en niños < 5 años por región (Retardo en talla y peso, relación peso/talla)
Fuente: Incap, 2000
La desnutrición afecta al 49% de los niños. En Guatemala equivale al efecto en un millon de infantes La mayor problemática se observa en el área rural y en población indígena (69%)
Seguridad alimentaria
Tiempo requerido para adquirir alimentos carne res queso fresco huevos pollo pan frances leche tortillas 0
1
2
3
Horas
4
5
6
Guatemala: Mapas de extrema pobreza y vulnerabilidad a la inseguridad alimentaria
Biofortificación: Rol de la agricultura en mejorar la nutrición humana Independiente del nivel de pobreza –malnutrición es el principal factor limitante• Cultivos biofortificados posibilitan mayor sostenibilidad • Costo relativamente menor si se compara con otras intervenciones (Harinas fortificadas, otros) • Menor costo económico de intervención y estable • Agricultura puede contribuir a mejorar la nutrición
Biofortificación •
• • •
Incluir alta calidad de la proteína, vitaminas y minerales esenciales dentro del genoma de los cultivos alimenticios Manipulación genética convencional Apoyo de la biotecnología ¡ No son OGM¡¡¡¡¡
Strategic Research
Tactical Research
Producer Beneficiary
Target population
Estrategia del programa Desarrollo de cultivos estables con alto contenido de micronutrientes usando métodos convencionales de mejoramiento genético y biotecnología moderna para mejorar las concentraciones de Provitamina A, Hierro y Zn. El proyecto también incluye el uso de alta calidad de proteína, el caso de maíz Provocar efectos positivos en la nutrición humana Apoyo del proyecto con estudios nutricionales Intercambio de germoplasma (variedades, híbridos)
WHP HP
Fase II
Fase I • • • • • •
Arroz Trigo Maiz Yuca Camote Frijol
• • • • • • • •
Camote Cebada Maní Lenteja Mijo Plátano Sorgo Gandul
Guatemala: priorización maíz, frijol, arroz, yuca WHP Kl WHP H
Hierro: Linea base y punto de interes Target
Baseline
Biofortified
Beans
Parent
Wheat
200 g intake
Cassava Maize
Grain
Flour
OFSP Rice 0
10
20
30
40
50
60
Iron mgkg-1
70
80
90 100
Zinc: State of Art - Phase 1 Crops Baseline Target
Biofortified Parent
Wheat Maize
Grain
Flour
Beans
200 g 100 g
Rice
7.5
Cassava OFSP 0
10
20
30
40
Zinc mgkg-1
50
60
70
β-caroteno: Linea base y punto de interes Target
+
OFSP SGR2 Rice Baseline
Maize Cassava 0
10
20
30
40
50
60
70
β carotene µg g-1 Biofortified Parent
80
90 100
Frijol Iron Guatemala-C.A
Yuca Proyecci贸n desarrollo variedades y germoplasma Guatemala-C.A
Arroz
Iron
Arroz Data source: Gerard Barry, IRRI
+31 µg g-1 β carotene
Camote Vitamin A
Avance de resultados • Evaluación de la variabilidad genética • Mejoramiento genético • Análisis de laboratorio • Estudios de bioeficacia • Aplicación de la biotecnología • Alta calidad de la proteína • Inocuidad
ICTA
beta-carotene
Pro-vitamin A structures
.
25.000
Survey of Maize Germplasm:
20.000
Data of T. Rocheford, U. of Illinois
15.000 10.000 5.000 White
B 68 C K55 M L2 47
Yellow
S C 5 S 5 C 21 3 K M UI3 16 2 C W M 17 4 P A9 F2 1 83 4T W F N 9 C 3 IA 20 21 32
0.000
6
Variaci贸n en color con diferente concentraci贸n de carotenos
Frecuencia contenido Pro-vitamina A en variedades de Guatemala 20 16
Freq.
12 8 4
1. 32 -2 2. 01 -2 .7 2. 71 -3 .3 9 3. 44. 08 4. 09 -4 .7 7 4. 78 -5 .4 7 5. 48 -6 .1 6
0. 63 -
1. 31
0
Range
Iron content in maize 70
Iron (ppm)
60
H+ Target (60 ppm) max = 39
50 40 30 20
average = 20
10 0
Genotypes
Zinc content in maize
max = 47
Zinc (ppm)
50 40
H+ Target (40 ppm)
30 20 10
average = 25
0 Genotypes
Promising material
Tropical maize (n=200). Aluminum values were less than 5 ppm, indicating no contamination
Frecuencia de hierro en variedades amarillas y blancas de Guatemala
White-Fe
Yellow-Fe 35 30 25 20 Freq. 15 10 5 0 11-19. 20-28 29-37 38-46 47-55 56-64 65-73 74-82
Range
Base line: 50-60 ppm
35 30 25 20 Freq. 15 10 5 0 12-15. 16-19
20-23
24-27
Range
28-31
32-35
36-39
Contenido Zinc en variedades amarillas y blancas de Guatemala
White-Zn
Yellow-Zn
25 16 14 12 10 Freq. 8 6 4 2 0
20 Freq.
15 10 5 0 19-21. 22-24 25-27 28-30 31-33 34-36 37-39 40-42
18-20 21-23 24-26 27-29 30-32 33-35 36-38 39-41
Range
Range
Base line: 35 mg/kg
Retrocruzamiento para alto contenido provitamina A Sam4 x Provitamins A sources
BC1F1 "ProA" in Sam4 BC2S1 Max 4.97; Min 0.42
BC2F1
BC1S1
BC2S1
BC1S2
50.00 40.00 30.00 20.00
BC2S2
10.00
BC1c1
BC1S3
0.00 0a1
1a2
2a3
3a4
4a5
BC1c1F1
BC2c1F1
BC1c1S1
BC2S3
BC1c1F2
x Testers
BC1S4 ProA in Sam (VitA)BC1S4 Max 6.13- Min 0.01
ProA in Sam 4 BC2S3 for TC Max 10.16- Min 0.21
40.00
35.00 35.00
30.00 30.00
25.00 25.00
20.00 20.00
15.00 15.00
10.00 10.00
5.00 5.00
0.00 0 a1
1a 2
2 a3
3 a4
>4
0.00 0a1
1a 2
2a3
3a4
>4
Estudios de heter贸sis para provitamina A Provitamins A for 9 hybrids at 2 locations
Total provitamins A (ug/g)
6 5
18
-34
10
23
35
25
-13
4
148
3
93 2
P1 F2 Tlalti F2 Batan P2
1 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Hybrid and its 2 parents
Media de heter贸sis en padres y progenies: 9%; 121%; 34%
Predicci贸n del comportamiento de hibridos predichos
KU I3 C M L30 4 C M L49 KU 6 D TP I20 07 YF6 D 9TP Sn YF6 5Sn
10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 C M L30 0 C M L32 4 C M L29 7 C M L30 5
Provitamins A (ug/g)
Hypothetical
Average mid-parent heterosis = 9%; 121%; 34%
Heterosis
P1
P2
MP
25%MP
50%MP
5.0
5.0
5.0
6.3
7.5
5.0
6.0
5.5
6.9
8.3
5.0
7.0
6.0
7.5
9.0
5.0
8.0
6.5
8.1
9.8
5.0
9.0
7.0
8.8
10.5
6.0
5.0
5.5
6.9
8.3
6.0
6.0
6.0
7.5
9.0
6.0
7.0
6.5
8.1
9.8
6.0
8.0
7.0
8.8
10.5
6.0
9.0
7.5
9.4
11.3
7.0
5.0
6.0
7.5
9.0
7.0
6.0
6.5
8.1
9.8
7.0
7.0
7.0
8.8
10.5
7.0
8.0
7.5
9.4
11.3
7.0
9.0
8.0
10.0
12.0
Mapa Genetico:cromosomas para determinar ubicaci贸n carotenoides
An谩lisis de QTL y su ubicaci贸n en cromosomas 2.0 5.01
9.01
2.02
04 3.06
5.05 4.08
8.05
5.07
10.05
10.07
2.09
Associated with Levels And Forms of Carotenoids I
II
III
IV
V
VI
VII VIII IX
X
Fig. QTL likelihood maps indicating LOD score, position of markers and major QTL detected on chromosome 6 and 10 for carotenoids content and composition umc1645
umc1196
umc1993
umc2122
B1 B5 B6
B2
B3
Joint 2004 2005
bnlg1028
umc1506
umc2163
M ZETC34
phi062
umc2180
umc1336
A6
bnlg1655
B1
umc2016
A5
umc1367
A4
phi050
A3
umc1337
Chromosome 6
umc2053
phi118
umc2059
phi29985
umc2162
bnlg1732
A3 A4 A6 A1 A2 A5
Joint 2004 2005
nc013
acda
bnlg1617
umc2319 phi129
umc1979
umc1595
YISSR
umc2313
bnlg391
umc2314
phi126
phi075
umc2208
A1 Chromosome 10
A2 B2
B3
B4
B5
B6
Ruta de Biosintesis de los carotenoides
Synthase
*PSY y1
2x
2x
GGPP Phytoene
Lycopene
Cyclases
PDS vp5
Phytofluene
β- LCY ε- LCY
*
ζ- carotene
α- carotene β-carotene
ZDS Neurosporene vp9
* Lutein
Desaturases
β- LCY
*
*
β-crytptoxanthin
* Zeaxanthin
Hydroxylases
Otros estudios complementarios • Análisis de laboratorio para contenido de micronutrientes • Estudios de biodisponibilidad de nutrientes • Efecto del manejo postcosecha sobre los micronutrientes
NIR for Fe and Zn - Fe calibration curve
Estudios de bioeficacia • 40-d old male Mongolian gerbils – 10 gerbils/treatment
Treatment
VA consumption
60% high-βC maize + oil control
~ 0.1 μmol VA/d
60% white maize diet + βC supplement
~ 0.1 μmol VA/d
60% white maize diet + VA supplement
~ 0.1 μmol VA/d
60% white maize diet + oil control
–
Comportamiento Pro Vit a
Liver VA (μmol)
2.0
1.5
Provitamin A en maíz es más efectivo que la suplementación de βC
1.0
0.5
b
a
b
c 0.2
0.0
Control
Maize BC Treatment
VA
Que pasa con la provitamina A durante el cocimiento?
Photo: A. Menkir Photo: H. De Groote
Digestion and Absorption of Carotenoids GUT LUMEN
ENTEROCYTE
LYMPH
Food BC XAN AC
retinol
LRAT
RE
Oil droplet BC BC XAN AC
XAN
RE BC AC XAN Chylomicron
AC
Micelles retinol
LRAT
RE
RE BC AC XAN Chylomicron
What happens to provitamins A after we eat them?
S. A. Tanumihardjo
Genes o2o2 y Lpa-1 • Bajo phytato (lpa)
• Opaco 2 Mejora calidad de proteína
Mejora disponibilidad de Fe y Zn
Acceso a aminoácidos esenciales (lisina y triptófano)
Alto efecto positivo en nutrición
Gen en estado homocigoto recesivo
Gen mutante homocigoto recesivo
IMPLICACIONES
TALLA, DESARROLLO HUMANO, ENFERMEDADES GASTROENTESTINALES, ANEMIA
Opaco-2: lisina y triptófano, gen de herencia recesiva O2O2 x o2o2
O2o2
(Problema #2)
¼ O2O2; ½ O2o2; ¼ o2o2
Mejoramiento asistido por marcadores moleculares (QPM) • • • • • • • • •
Segregación de plantas F2 (AA 2Aa aa) Calibración técnica SSR Muestreo de plantas Extracción de ADN (NaOH) Amplificación de fragmentos (umc1066) Electroforesis en agarosa Tinción de geles (EtBr) Identificación de plantas con gen o2o2 Retrocruzamiento SEGREGACION MENDELIANA
AA:2Aa: aa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
Gen Opaco-2
Sin presencia gen
Mejoramiento genetico: incluye
• Sistema genetico recesivo lisina, triptófano • Modificación del endospermo
•1
www.maizegdb.org/
•2 •3 •4
QPM vs Normal “iso-hibridos”
Hybrid Yield (t/ha) CML264Q x CML273Q 6.803 CML264 x CML273 7.006 Local check 5.539
Mejor nutrici贸n QPM Normal Maize
Guatemala, 2000
INOCUIDAD DE ALIMENTOS PROBLEMATICA DE LA CONTAMINACION DEL GRANO DE MAIZ INFECTADOS POR HONGOS DEL GENERO FUSARIUM = FUMONISINAS
Fumonisin in Guatemala • NTD rate 2106:10,000 • Fumonisin level varies by year, environmental conditions • Lowland Mean FB1 in corn 1.2 ppm (20002003)
Fumonisin data provided by Dr. Riley USDA
• Calculated Daily Intake 7.2 μg/kg bw d1 (average woman)
2004-2005: FB1 was detected more frequently in corn purchased in 2005, but the corn bought in the highland markets had less FB1 than that purchased in the lowland markets 100
50
50
40
40
30
30
30
20
20
20
10
10
10
0
0
0
90
Highland Departments n=109
80 70
>10
40
3<10
50
1<3
In 2005 60/109 positive by LCMSMS
60
0.3<1
>10
3<10
1<3
0.3<1
In 2005 121/127positive (> 0.050 ppm) byLCMSMS
<0.3
>10
60
3<10
60
1<3
70
0.3<1
70
<0.3
80
Lowland Departments 90 n=127 80
90 Frequency FB1 2005
100
All Departments n=236
<0.3
100
FUMONISINAS FACTOR DE RIESGO
.SUCEPTIBILIDAD GENETICA • LIMITADA INGESTA DE MICRONUTRIENTES • PUEDE PRODUCIR ENFERMEDADES EN HUMANOS Y FETOS
Reflexiones • • • •
Inserción de proyectos globales Baja el costo de investigación Comparte metodologías y productos Hay grandes perspectivas desde el punto de vista productivo, nutricional, impacto con el valor nutricional • Tecnologías que utilizan el mejoramiento convencional • No son productos transgénicos (OGM)
….cont • Se requiere integración de esfuerzos a nivel nacional • Debe constituirse en una política de estado para el fortalecimiento de la seguridad nutricional (SAN) • Fortalecer alianzas • Focalizar población meta Ej. Refacción escolar, harinas • Es complementaria a otros esfuerzos de seguridad alimentaria y nutricional
www.icta.gob.gt BUSCADORES: PCCMCA 2007, CONGRESO