Puede el Neotrópico aportar recursos genéticos de arroz?

Daniel G. Debouck
Puede el Neotrópico aportar
recursos genéticos de arroz?
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?
Origen “reticulado” de una variedad productiva: IR36
TEXAS PATNA
Marong paroc
Sinawpagh
REXORO
REXORO
CENTURY PATNA231
BLUE BONNET
Variedad desconocida
SLO17
CP-SLO
SIGADIS
FORTUNA
CEB24
Kitchili samba
Vellai kar
Indonesia
Taiwán
Filipinas
India
CEB24
CO18
Tsai-yuan-chon
DGWG
PETA
Cina
Pa chiam
IR24
TKM6
Latisail
Benong
IR127
IR8
Oryza nivara
TN1
IR8
IR747
IR1737
IR1561
Tadukan
IR579
Thekkan
PTB21
IR2042
IR2071
IR8
IR36
CR94-13
CR55
China
Eravapandi
PTB18
fuente: Plucknett et al. 1987
Ejemplo del origen “reticulado” de una variedad moderna: IR36
Qué nos enseña el caso del IR36 ?
TEXAS PATNA
Marong paroc
Sinawpagh
REXORO
REXORO
CENTURY PATNA231
BLUE BONNET
Variedad desconocida
SLO17
CEB24
CP-SLO
SIGADIS
FORTUNA
Kitchili samba CEB24
Vellai kar
CO18
Indonesia
Taiwán
Filipinas
India
IR127
IR8
TKM6
Tsai-yuan-chon
Latisail
Cina
DGWG
PETA
Benong
TN1
IR8
Pa chiam
IR24
Oryza nivara
IR747
IR1737
IR1561
Tadukan
IR579
Thekkan
PTB21
IR2042
IR2071
IR8
IR36
CR94-13
CR55
China
Eravapandi PTB18
fuente: Plucknett et al. 1987
•Genes de interés vienen de variedades tanto modernas como tradicionales
•La fecha de desarrollo de las mismas no importa
•Genes de interés vienen de varias areas geográficas sin poder predecir
•Genes de interés vienen tanto de la especie en mejora que de otras
•Genes de resistencia al GSV vienen únicamente de Oryza nivara
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Ejemplo del origen “reticulado” de una variedad moderna: IR36
Importancia de una perspectiva
TEXAS PATNA
Marong paroc
Sinawpagh
REXORO
REXORO
CENTURY PATNA231
BLUE BONNET
Variedad desconocida
de poblaciones en RFG!
SLO17
CEB24
Indonesia
Taiwán
Filipinas
India
CP-SLO
SIGADIS
FORTUNA
Kitchili samba CEB24
Vellai kar
CO18
TKM6
Tsai-yuan-chon
Latisail
Cina
DGWG
PETA
Benong
IR127
IR8
TN1
IR8
Pa chiam
IR24
Oryza nivara
IR747
IR1737
IR1561
Tadukan
IR579
Thekkan
PTB21
IR2042
IR2071
IR8
IR36
CR94-13
CR55
China
Eravapandi PTB18
fuente: Plucknett et al. 1987
• genes de resistencia al GSV vienen únicamente de Oryza nivara Sharma & Shastry
• resistencia al GSV fue encontrada después de evaluar 6,700 materiales de arroz
• se ha reunido una colección de 468 materiales de Oryza nivara (hasta 1997)
• sólo un material de Oryza nivara tenía resistencia, y en él sólo 3 plantas
fuentes: Jackson 1997; Khush & Ling 1974; Khush et al. 1977
América tropical
África
Asia
Australia
Oryza: un género con aprox. 24 especies
Especies diploides (16)
glumaepatula (AA)
glaberrima (AA)
sativa (AA)
meridionalis (AA)
barthii (AA)
nivara (AA)
australiensis (EE)
rufipogon (AA)
Guo & Ge 2005:
Porteresia coarctata
longistaminata (AA)
officinalis (CC)
punctata (BB)
rhizomatis (CC)
eichingeri (CC)
granulata (GG)
brachyantha (FF)
meyeriana (GG)
Especies tetraploides (9)
alta (CCDD)
punctata (BBCC)
longiglumis (HHJJ) schlechteri (????)
latifolia (CCDD)
ridleyi (HHJJ)
minuta (BBCC)
grandiglumis (CCDD)
malapuzhaensis (BBCC)
fuentes: Khush 1997; Nishikawa et al. 2005; Vaughan & Sitch 1991; Vaughan & Morishima 2003; Vaughan et al. 2003
Qué se entiende como recurso genético en arroz?
Acervo Genético 3ario
Oryza officinalis (CC)
Oryza australiensis (EE)
Acervo Genético 1ario
Oryza sativa
indica
japonica
variedades tradicionales, modernas
Oryza meyeriana (GG)
Oryza ridleyi (HHJJ)
Oryza schlechteri (????)
Oryza nivara (AA), O. rufipogon
progenitor silvestre (domesticado)
Acervo Genético 2ario
Acervo Genético 1ario
Oryza
Oryzaglaberrima
glaberrima
variedades tradicionales
progenitor silvestre (domesticado)
Oryza barthii (AA)
fuentes: Harlan & de Wet 1971; Harlan et al. 1973; Khush 1997; Vaughan & Morishima 2003
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Por qué invertir tiempo y esfuerzos en los silvestres?
resistencia a plagas y enfermedades (lógica = duración de la co-evolución)
ejemplo: O. nivara (AA): resistencia a GSV (Khush et al. 1977)
ejemplo: O. rufipogon (AA): resistencia a Tungro Virus (Ikeda et al. 1994)
ejemplo: O. longistaminata (AA): resistencia a Bacteriosis (Khush et al. 1990)
ejemplo: O. officinalis (CC): resistencia a thrips y chicharita (Khush 1997)
tolerancia a factores abióticos adversos
ejemplo: O. australiensis (EE): escape a sequía (Khush 1997; Atwell et al. 2014)
ejemplo: O. brachyantha (FF): suelos ácidos (Khush 1997)
ejemplo: O. granulata (GG): temperaturas bajas (Atwell et al. 2014)
QTLs para aumentar rendimiento en sativa, desde rufipogon de Malasia
(Moncada et al. 2001; Xiao et al. 1998)
fuente de CMS para la producción de arroz híbrido
ejemplo: O. rufipogon (AA) (Lin & Yuan 1980)
ejemplo: O. glumaepatula (AA) (Brar & Khush 1996; Dalmacio et al. 1986)
efecto fundador de la domesticación en arroz
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Por qué invertir tiempo y esfuerzos en los silvestres?
efecto fundador de la domesticación en arroz
Asia oriental y del sureste
África occidental
silvestre perenne
O. rufipogon (AA)
O. longistaminata (AA)
silvestre anual
O. nivara
O. barthii
cultivado anual
O. sativa
O. glaberrima
indica
japonica
80%
90%
reducción de la diversidad:
7 cultigrupos:
indica
aus
indeep water
rayada
80%
aromatic japonica
temperate japonica
tropical japonica
fuentes: Bezançon & Second 1984; Caicedo et al. 2007; Khush 1997; McCouch et al. 2012; Zhu et al. 2007
Sitios y fechas de domesticación (a.P.)
O. sativa
japonica
indica
3,500 años
O. glaberrima
8,000 años
7,000 años
rango de distribución del pariente silvestre
fuentes: Bar-Yosef 2012; Chang 1995; Londo et al. 2006; McCouch et al. 2012; Vaughan & Morishima 2003
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Transición desde la colecta/ caza hacia la agricultura:
rápida ?
dependencia de la vida silvestre
dependencia de la agricultura
síndrome de domesticación se fija en pocas generaciones
avances tecnológicos rápidos para detoxificar los alimentos
10,000
9,500
años a.P.
0
trabajos de: Hillman & Davies 1990; Koinange et al. 1996
o lenta ?
cruzamientos entre cultivados y silvestres
compuestos antinutricionales con herencia compleja
10,000
5,000
años a.P.
trabajos de: Bar-Yosef 2012; Tanno & Willcox 2006; Mamidi et al. 2011; Willcox 2012
La teoría aceptada hoy es la de una transición lenta; y la agricultura es el modelo que ganó
aquellos pueblos que lograron la rizicultura en Asia se expandieron demográfica-/ políticamente
0
Las migraciones . . .
+ 900 d.C.
+ 700 d.C.
+ 1690 d.C.
+ 1513 d.C.
- 200 a.C.
- 2,000 a.C.
- 1,000 a.C.
- 1,500 a.C.
+ 1580 d.C.
+ 1,800 d.C.
arroz = palabra derivada del arabe ‘eruz’
“Around 1800, one day when hunting on the Upper Pikilío . . .” van Andel, p. 6.
fuentes: Besançon & Second 1984; Chang 1995; Patiño 1969; Sauer 1993; van Andel 2010
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Algunas anomalías por explicar:
género monofilético
genoma AA: 3 continentes, 3 domesticaciones
genomas de Asia: CC, GG, BBCC, HHJJ
genoma de América: CCDD
genomas de África: BB, CC, FF
genomas no encontrados: DD, HH, JJ
genoma de Australia: EE
fuentes: Aggarwal et al. 1997; Dally & Second 1990; Fukui et al. 1997; Ge et al. 1999; Guo & Ge 2005; Nishikawa et al. 2005
mapa: Atwell et al. 2014
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Especies silvestres neotropicales:
O. glumaepatula (AA): desde México hasta Paraguay (un registro en CLB!)
O. alta (CCDD): desde Guatemala hasta Argentina (incl. Colombia)
O. grandiglumis (CCDD): desde Costa Rica hasta Brasil (incl. Colombia)
O. latifolia (CCDD): desde México hasta Argentina (incl. Colombia)
fuentes: Ando et al. 1999; Tateoka 1963; Vaughan & Morishima 2003; Villafañe et al. 2007; Zamora et al. 2003
mapa: Atwell et al. 2014
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El caso de O. glumaepatula Steudel:
Cómo podemos explicar su presencia?
?
Es un arroz ‘rojo’ de O. sativa o de O. glaberrima desde 1493-2013?
?
• No: por la amplia distribución geográfica y los polimorfismos moleculares
trabajos de Juliano et al. 1998; Quesada et al. 2002; Veasey et al. 2008
• No: Dally & Second (1990): 3 plastotipos de cpDNA únicos en América vs 5 en Asia
2 plastotipos de cpDNA únicos en O. barthii y uno solo en O. longistaminata
cpDNA con evolución lenta; especies AA de Asia de 1-3 mi años de edad
• No: con mtDNA Akimoto (1999) muestra en O. glumaepatula dos grupos, uno
relacionado con O. longistaminata, otro con O. barthii, ambos de África
• No: híbridos entre O. glumaepatula (Brasil) y O. rufipogon (Asia) mostraron
baja fertilidad (Naredo et al. 1998)
• No: este último trabajo reveló la posibilidad de otro diploide en América del sur
Es un arroz ‘rojo’ desde la primera migración humana desde Beringia hace 20,000 años?
?
7,000 años a.P.
Tres migraciones humanas (antes de 1492)
foto: Cavalli-Sforza et al. 1994
 Eskimo-Aleut (más reciente): 10 idiomas (p.ej. Inuit)
10,000 años a.P.
 Na-Dene (2da migración): 32 idiomas (p.ej. Tlingit, Apache, Navajo)
• ninguna ha traído arroz!
 Amerind (más antiguo): 583 idiomas; 6 sub-familias
• dos antes de la
domesticación del arroz en
• Almosan-Penutian: 20 idiomas (p.ej. Zuni, Kiché, Totonaco, Maya)Asia
• Central Amerind: 10 idiomas (p.ej. Pima, Nahuatl, Zapoteco)
• Chibcha-Paezan: >100 idiomas (p.ej. Cuna, Paez)
• última se quedó en el NW
15-20,000 años a.P.
• Andean: 20 idiomas (p.ej. Quechua, Aymara, Mapuche)
• Equatorial-Tucanoan: >150 idiomas (p.ej. Guaraní, Arawak)
• Ge-Pano-Carib: >50 idiomas, muchos extintos (p.ej. Shipibo, Surinam, Cayapo)
Monteverde: 12,500 años a.P.
fuentes: Cavalli-Sforza et al. 1994; Greenberg & Ruhlen 1992; Nichols 1998; Wells 2003
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No hubo domesticación antes de 1493!
Charles Clement (1999): “Leersia hexandra or Oryza glumaepatula may have been important
cereal crops, although their placement along the domestication continuum is in doubt”.
Habitat de Oryza grandiglumis, Los Chiles, Alajuela, Costa Rica
foto: Debouck 2001
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Una interpretación que se fue . . .
El mundo en el Jurásico tardío, hace 135 mi años
separación Leersia- Oryza
hace 14 mi años
fuente: Guo & Ge 2005
aparición Poales
in S Gondwana hace 115 mi años
fuente: Sanderson et al. 2004
aparición Angiospermae
en W Gondwana 145 mi años
fuentes: Graham 2011, Sanderson et al. 2004
separación Suramérica África: 145-90 mi años
fuente: Graham 2011
distribución del Oryza ancestral
gráfica: Rich & Rich 1983
escenarios de Chang 1976a, 1976b, 1995; Khush 1997
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Para tener en cuenta . . .
El mundo en el Oligoceno, hace 35 mi años
separación completa de
América del Sur
Vaughan et al. 2005
90-3 mi años atrás
futura zona nuclear de Oryza
fuente: Grahan2011
Orinoco y Amazonas
desembocan en el Atlántico
hace 15 mi años
fuente: Grahan2011
cordillera andina en formación:
río Amazonas aún hacia el Occidente
corriente Humboldt hacia el Norte
cierre de Panamá
hace 3-2.8 mi años
fuente: Grahan2011
corriente oceánica ‘Gulfstream’ es joven!
gráfica: Rich & Rich 1983
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Aproximando la edad de Oryza . . .
(Australia)
(África) (Asia)
(AA)
(AA)
(AA)
separación Leersia- Oryza
hace 14 mi años
(BB)
(CC)
fuente: Guo & Ge 2005
(CC)
(EE)
separación O. granulata
(GG) del resto de Oryza
hace 9 mi años
(FF)
fuente: Guo & Ge 2005
(GG)
separación ancestros glaberrima- sativa
hace 0.64 mi años
fuente: Ma & Bennetzen 2004
separación ancestros indica- japonica
hace 0.44 mi años
fuente: Ma & Bennetzen2004
filogenía de Guo & Ge 2005
distribución de O. granulata: Nyanmar, Tailandia, W Indonesia
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Oryza: otro caso de zoocoría ?!
Pueden aves haber traído el genoma AA y/o CC desde África?
“Se encuentra en terreno seco . . . siguiendo a los arados en busca de insectos y
otros pequeños animales. Oriunda de África, esta especie ha invadido todo el
continente americano.”, H Alvarez-López, 1999, p. 30.
Bubulcus ibis
Garza del ganado
“Su lugar de origen es África, de donde llegó a Colombia a fines de la década de 1910,
tal vez arrastradas por una tormenta”, C U Hurtado, 2002, p. 223.
“First reported in Colombia in 1917 . . . An invader from the Old World . . . ”, Hilty & Brown, 1986, p. 66.
Poco probable, porque aves migratorias no son granívoras, y migran templado-trópico!
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Oryza: migración por corriente oceánica ?!
el ‘Bermuda bean’ es planta endémica de
las Islas Bermudas en el W Atlántico
es relacionado al fríjol Lima de las Antillas
llevado por el Gulfstream hace 1-2 mi años
fuentes: Britton 1918; Delgado-Salinas et al. 2006; Pettit et al. 2012
Phaseolus lignosus Britton
P. mollis es endémica de las Islas Galápagos
es relacionado al fríjol Lima de los Andes NW
llevado por la corriente Humboldt hace 1-2 mi años
igual pasó para Lycopersicon cheesmanii
igual pasó para Gossypium darwinii
Phaseolus mollis Hooker
fuentes: Rick 1963; Wendel & Percy 1990; Wiggins & Porter 1971
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El caso de los tetraploides americanos
las 3 especies (O. alta, O. grandiglumis, O. latifolia)
con genoma CCDD, el CC está en diploides africanos
y asiáticos (O. officinalis), el DD aún no encontrado
distribución aún mal conocida (Centroam. a Brasil)
especies con gran biomasa (uso forrajero)
O. alta: en lagos de agua estable
O. grandiglumis: en ríos de agua corriente, profunda
las diferencias parecen existir, a nivel molecular
(Aggarwal et al. 1996) sino morfo-/ ecológico
origen antiguo y único, y luego especiación ???
Oryza latifolia Desv.
Los géneros de gramíneas de América Austral
E.G. Nicora & Z.E. Rúgolo, 1987
fuente de resistencia a chicharita y bacteriosis
(Brar & Khush 1997)
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Algunas conclusiones
• existe arroz ‘rojo’ en LAC (= maleza que puede confundirse con O. glumaepatula)
maleza favorecida por las prácticas culturales en LAC (diferentes de Asia), y
cuyo valor como recurso genético es limitado, porque es reciente (< 80 años)
• existe 1-2 especies diploides (= O. glumaepatula) con genoma AA (= arroz cultivado)
cuyo tiempo de evolución sería de más de 500,000 años (Amazonía > Centroam.), y
cuyo valor como recurso genético es alto, pero hasta hoy poco estudiado
• se tiene herramientas para apreciar la diversidad de manera ‘neutra’, establecer
relaciones filogenéticas, y fijar duraciones de evolución, pese a problemas de calibración
(cpDNA: matK, trnL; mtDNA: nadI; nDNA: Adh2, GpaI) y falta de fósiles
• pero el mayor limitante para progresar es la falta de material: hay que colectar!
en las cuencas antiguas y con acelerado cambio en usos de los suelos (antes de 2020!)
• el número muy reducido de materiales evaluados deja entender que sí hay
características útiles en los silvestres del Neotrópico
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Muchas Gracias!
www.ciat.cgiar.org/urg
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