Agrobiotecnología Curso 2015 Conceptos introductorios Alejandro Mentaberry Departamento de Fisiología, Biología Molecular y Celular Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires - Sumario Población y seguridad alimentaria Limitantes de la agricultura contemporánea Las demandas futuras sobre la agricultura De la Revolución Verde a la Revolución Genética Los cultivos transgénicos La Argentina y la agrobiotecnología Agrobiotecnología Referencias Introducción Población y seguridad alimentaria Agrobiotecnología Introducción Evolución de la población mundial (1950-2100) Proyección de la población mundial de la ONU en 2012 (línea roja), con 80% de probabilidad (sombreado oscuro), con 95% de probabilidad (sombreado claro) y variantes de alta y baja natalidad (líneas punteadas). Tomado de: Gerland et al., Science, 2014. La población mundial continuará creciendo hasta más allá de 2100, en que se estabilizaría en más de 11.000 millones de seres humanos. Evolución de la población mundial (1950-2100) Proyección de la población por continentes de la ONU en 2012 (línea roja), con 80% de probabilidad (sombreado oscuro) y con 95% de probabilidad (sombreado claro) El 80% de este crecimiento demográfico tendrá lugar en los países menos desarrollados, particularmente en Asia y Africa La humanidad vive una etapa de transición hacia el predominio de la vida urbana Distribución de la población mundial urbana y rural (1970, 2000 y 2030) Fuente: UN-HABITAT, 2003. La el desplazamiento hacia las ciudades es más acentuado en los países no desarrollados que en los desarrollados. En Africa y Asia, la fracción de la población urbana se ha triplicado en los últimos 50 años. Se espera que hacia 2030, la mayor parte del crecimiento poblacional ocurra en las áreas urbanas de los países menos desarrollados. Consecuencias directas de este proceso son la paulatina despoblación del campo, la mayor competencia por áreas anteriormente dedicadas a la agricultura (viviendas, carreteras) y la demanda incrementada de alimentos procesados. El proceso de urbanización es parte de una tendencia histórica universal Año Año Regiones más Regiones más desarrolladas desarrolladas Mundo Mundo Regiones menos Regiones menos desarrolladas desarrolladas Total Total 3) 3) (x10 (x10 %% urbano urbano %% rural rural %% urbano urbano %% rural rural %% urbano urbano %% rural rural 1950 1950 2.529.346 2.529.346 28,8 28,8 71,2 71,2 52,6 52,6 47,4 47,4 17,6 17,6 82,4 82,4 2010 2010 6.908.688 6.908.688 50,5 50,5 49,5 49,5 75,2 75,2 24,8 24,8 45,1 45,1 54,9 54,9 2050 2050 9.149.984 9.149.984 68,7 68,7 31,3 31,3 86,2 86,2 13,8 13,8 65,9 65,9 34,1 34,1 Año China India Argentina % rural % urbano % rural % urbano % rural 1950 11,8 88,2 17,0 83,0 65,3 34,7 2010 47,0 53,0 30,0 70,0 92,4 7,6 2050 73,2 26,8 54,2 45,8 96,0 4,0 Fuente: UNPD, 2011 % urbano El proceso de urbanización ocurre en todas las regiones del planeta y se relaciona directamente con el desarrollo económico. El pasaje a las ciudades tendrá consecuencias importantes en el comercio internacional de alimentos El incremento de la producción de alimentos ha acompasado al crecimiento demográfico en los últimos sesenta años • Hasta fines del siglo XX el proceso de intensificación de la agricultura se sustentó en: - Mejoramiento genético - Agroquímicos - Mecanización - Irrigación artificial Tomado de: Sadava, Plants, Genes and Crop Biotechnology, 2002. Relación de rendimientos (1985 =1,0) Adaptado de: Foley et al., Nature, 2011. El mejoramiento genético ha sido una de las claves que permitió incrementar la productividad de los cultivos AJO CAUCHO Tendencias en la producción mundial de cultivos (1985-2005) CAFE ALFALFA COLZA MAIZ ALGODON PEPINO SOJA TRIGO ARROZ CEBOLLA CASSAVA AVENA TOMATE CEBADA CAÑA DE AZUCAR PAPA GIRASOL Relación de áreas cosechadas (1985 = 1,0) SORGO CEREALES LEGUMBRES OLEAGINOSAS AZUCARERAS FIBRAS AZUCARERAS FRUTALES CEREALES LEGUMBRES OLEAGINOSAS RAICES Y TUBERCULOS FORRAJERAS FIBRAS AZUCARERAS CEREALES LEGUMBRES OLEAGINOSAS RAICES Y TUBERCULOS FORRAJERAS FRUTALES RAICES Y TUBERCULOS FORRAJERAS CEREALES FRUTALESOTROS NUECES NUECES CEREALES LEGUMBRES OLEAGINOSAS LEGUMBRES OLEAGINOSAS FIBRA NUECES OTROS FIBRAS AZUCARERAS AZUCARERAS FIBRAS Los ejes vertical y horizontal muestran, respectivamente, los cambios de rendimiento y de superficie cosechada respecto de 1985. El tamaño de los círculos representa el área cosechada para cada cultivo en 2005. La curva a rayas divide aquellos cultivos producción se incrementó de aquellos cuya producción decreció OTROS FRUTALES NUECES RAICES Y cuya TUBERCULOS FORRAJERAS FORRAJERAS RAICES Y TUBERCULOS FRUTALES NUECES OTROS Consumo mundial de fertilizantes (1961-2005) Fertilizantes nitrogenados 1961 = 11,6 millones de Tm Radio (1961= = 1) (1961 1) Relación La agricultura intensiva se sustenta en el uso de agroquímicos, la irrigación y la mecanización Todos los fertilizantes 1961 = 31,2 millones de Tm Agrobiotecnología Introducción Relación (1961 = 1) Area irrigada y maquinaria agrícola al nivel mundial (1961-2006) Tractores, cosechadores y trilladoras 1961 = 13,6 millones) Area irrigada (1961 = 139 millones de ha) Tomado de: Royal Society, Reaping the benefits 2009. El uso de fertilizantes, la irrigación y la mecanización son pivotes clave de las actuales prácticas agrícolas. Entre 1961 y 2006 el uso de fertilizantes, la maquinaría agrícola y la irrigación se incrementaron en 5, 2,5, y 2 veces, respectivamente Producción mundial de cultivos (2009) Producción total de cereales: 2.351.396.424 Tm Centeno Triticale Avena Mijo Sorgo Cebada Ñame Cassava Batata Papa Maíz Trigo Otros Olivo Producción total de tubérculos y raíces: 697.620.690 Tm Girasol Maní Arroz Colza Soja Cocotero Palma Algodón Producción total de oleaginosas: 692.421.195 Tm Tomado de: Royal Society, Reaping the benefits 2009. Producción total de alimentos (Tm x 107) La producción de alimentos per capita es despareja en distintas regiones del mundo La cantidad total de comida producida experimentó incrementos dramáticos en los países no desarrollados. Agrobiotecnología Introducción Producción de alimentos per capita (1961= 100) Tomado de: Sadava, Plants, Genes and Crop Biotechnology, 2003. Producción de alimentos per capita (1961-2005) Asia Sudamérica El mundo Africa Tomado de: Royal Society, Reaping the benefits 2009. Sin embargo, la cantidad de comida por persona no se ha incrementado en la misma medida, y es muy despareja en las distintas regiones geográficas. China es el principal país en desarrollo que ha incrementado notablemente la producción de alimentos per capita Agrobiotecnología Introducción Cambios en la producción agrícola per capita (1961-2005) Prevalencia de la desnutrición a nivel mundial La cantidad y el porcentaje de personas malnutridas a nivel mundial no se ha modificado sustancialmente en los últimos veinte años Porcentaje de la población malnutrida, 1990-1992, 2000-2002 y 2005-2007 Las previsiones sobre seguridad alimentaria no se han cumplido La desnutrición seguirá siendo un grave problema por muchos años… Proyección de la FAO (1997) 795 400 Personas malnutridas en el mundo (2015) Objetivo del Milenio (2015) Agrobiotecnología Introducción Fuente: FAO Prevalencia de la desnutrición a nivel mundial Tomado de: Mapa del Hambre . FAO, 2015. Cerca de 795 millones de personas siguen careciendo de alimentación suficiente. La subalimentación afecta a 216 millones de personas menos que hace 25 años La principal causa de la inseguridad alimentaria es la pobreza • Pobreza: En 2011, 17% de la población mundial (~1.200 millones de personas) vivía con menos de 1,25 U$S diario y dedicaba 50-70% de su ingreso a alimentarse. • Conflictos violentos: Unos 56,7 millones de refugiados han huido de sus respectivos países. El número de refugiados aumentó en 5,5 millones entre 2013 y 2014. La violencia genera hambre y el hambre genera violencia. • Discriminación: Los grupos más débiles son especialmente castigados. El hambre golpea especialmente a los muy jóvenes, a los viejos y a las mujeres. • Falta de representatividad política: Los más pobres y hambrientos carecen de organizaciones que defiendan sus intereses. Las políticas tienden a favorecer a los que viven mejor y los problemas de los pobres reciben baja prioridad. Agrobiotecnología Introducción La seguridad alimentaria no es sólo un problema de distribución, sino, y fundamentalmente, de producción Incrementar la distribución no es una solución porque promueve dependencia y desalienta a la producción local. Se requiere mayor producción en donde se la necesita, no mayor distribución desde el exterior. ¿En donde están las áreas deficitarias en producción? Hay una brecha creciente entre producción y consumo en Africa y Asia, regiones en que se localiza un 70% de la población. Agrobiotecnología Introducción + Sistemas de apoyo institucionalizados Topología simplifica de sistemas agrícolas Capacidad alimentaria+ Fuertes Sistemas de altos insumos y alta producción 1: >30 Intermedios Sistemas convencionales de insumos externos 1: 10-30 Pobres Sistemas de subsistencia 1: 1-5 Pobres Sistemas naturales no perturbados 1:1 Capacidad alimentaria medida como la relación entre productores y consumidores La producción de alimentos depende de la evolución de múltiples factores Agrobiotecnología Introducción • Globalización del comercio agrícola • Ayuda alimentaria decreciente • Crisis y especulación financiera • Barreras proteccionistas • Acceso desigual a la tecnología • Costos energéticos • Nuevas demandas para la agricultura • Degradación ambiental • Epidemias y problemas sanitarios • Cambio climático global Los subsidios agrícolas de los países desarrollados ponen a los países no desarrollados en desventaja en el comercio internacional Limitantes de la agricultura contemporánea Agrobiotecnología Introducción Se perfilan numerosas limitaciones para el futuro desarrollo de la agricultura • Limitación en la superficie de tierra cultivable • Erosión y degradación de suelos • Limitaciones en la disponibilidad de agua para irrigación • Excesiva presión de agroquímicos sobre el medio ambiente • Agotamiento paulatino del potencial de mejoramiento genético • Riesgos derivados de la homogeneidad genética (pérdidas de biodiversidad, susceptibilidad a plagas) m3/capita Agrobiotecnología Introducción Se anticipa una crisis en la disponibilidad de recursos acuíferos en los próximos 20 años. 100 % pasturas El área productiva está alcanzando los límites sustentables 100 % tierra cultivada Las tierras cultivadas y las pasturas comprenden, respectivamente, cerca del 12% (1.530 millones de ha) y del 26% (3.380 millones de ha) de la superficie libre de hielo. Entre 1985 y 2005, el área cultivada se expandió en un 3%, principalmente en las regiones tropicales. No es posible alcanzar la producción requerida de alimentos expandiendo el área cultivada World POPClock Projection According to the International Programs Center, U.S. Census Bureau, the total population of the World, projected to 03/22/11 at 15:05 UTC (EST+5) is 6,907,374,496 Monthly World population figures: 07/01/12 07/01/10 08/01/12 08/01/10 09/01/12 09/01/10 10/01/12 10/01/10 11/01/12 11/01/10 12/01/12 12/01/10 01/01/13 01/01/11 02/01/13 02/01/11 03/01/13 03/01/11 04/01/13 04/01/11 05/01/11 05/01/13 06/01/11 06/01/13 07/01/11 07/01/13 7,023,324,899 6,852,472,823 7,029,872,203 6,858,904,297 7,036,419,508 6,865,335,772 7,042,755,609 6,871,559,780 7,049,302,914 6,877,991,255 7,055,639,015 6,884,215,263 7,062,186,320 6,890,646,738 7,068,733,624 6,897,078,213 7,074,647,319 6,902,887,287 7,081,194,623 6,909,318,762 6,915,542,770 7,087,530,725 6,921,974,245 7,094,078,029 6,928,198,253 7,100,414,131 09/09/2015: 7.261.613.360 World POPClock notes Source: U.S. Census Bureau, International Data Base. More POPClocks. World Population Information Tomado de: U.S. Census Bureau. http://www.census.gov/main/www/popclock.html La población mundial aumenta en términos netos aproximadamente tres personas por segundo. Teniendo en cuenta la superficie total de tierra cultivable, pasturas y bosques, cada año se pierden 6-10 x 106 ha de tierra productiva. Sin incrementos de productividad, se requerirá duplicar la superficies actual para abastecer a los 9.800 millones de personas esperados en 2050 2006: 0,46 ha/persona 2039: 0,23 ha/persona El uso sustentable del suelo es crítico para sostener los rendimientos agrícolas Las distintas formas de degradación de los suelos afecta a un 20% de la tierra productiva del planeta El desarrollo de sistemas productivos sustentables requiere evitar la degradación de los suelos Influencia de la calidad del suelo en la relación rendimiento del cultivo/insumos Agrobiotecnología Introducción Tomsfo de Cassman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999. Las actividades agrícolas consumen el 70% del agua potable El agua será un factor económico limitante en el siglo XXI Disponibilidad de agua dulce (m3 por persona por año, 2007) Tomado de: Instituto de Recursos Mundiales FAO, 2008. Las reservas de tierra cultivada y de agua por persona varían considerablemente en los distintos continentes Tomado de World Resources Institute, 2000. Distribución mundial de tierra cultivada y recursos acuíferos La mayor cantidad de tierra cultivable está en Canadá, USA, Brasil, Argentina, Europa Occidental, Rusia, India y China. Latinoamérica y el Caribe concentran el 36,3 % de las reservas de agua potable. El flujo de "agua virtual" es un factor importante del comercio internacional 1986 Los números indican los volúmenes de agua exportada en Km3 2007 Sudamérica es el principal exportador de "agua virtual" Argentina es el segundo exportador mundial de agua virtual Los 10 principales consumidores de agua dulce (millones de metros cúbicos por año) Uso Doméstico Industria Agricultura Cereales BRASIL Carne RUSIA Otros JAPON Agrobiotecnología Introducción (leche, huevos, frutas, aceites, nueces, azúcar, caucho y más) El mejoramiento tradicional tiene un límite teórico que depende de la amplitud de la base genética El Banco Mundial reporta que los rendimientos en granos a nivel mundial aumentaron a una tasa anual de: - 2,1% durante los años 80 - menos de 1,0% en los años 90 (McCalla, 1999) Agrobiotecnología Introducción Algunas evidencias indican que los rendimientos agrícolas están entrando a una meseta, e incluso declinando, como es el caso de algunos sistemas de producción intensivos de arroz y trigo en Asia. La situación parece más crítica para el arroz que para el trigo, siendo el maíz el menos afectado. (James, 1999) Maíz Arroz Rendimientos (Tm/ha) La tasa actual de mejoramiento genético no permitiría doblar la producción de los cultivos principales hacia 2050 Trigo Soja Agrobiotecnología Tomado de: Deepak et al., PLOS, 2013. Introducción Las líneas de círculos llenos representa el rendimiento global observado entre 1961 y 2008 para maíz, arroz, trigo y soja. Las líneas sólidas representan las proyecciones hasta 2050. Las líneas de rayas representan las tendencias de rendimiento que serían necesarias para duplicar la producción hacia 2050 sin expandir el área total sembrada de cada cultivo en 2008. Los cambios climáticos imponen una rápida adaptación de los cultivos a nuevas condiciones ambientales Cambio climático global • Incrementos de temperatura • Mayor frecuencia de sequías • Cambios en los regímenes de lluvias • Incremento del nivel de los mares • Aparición de nuevas plagas y . patógenos Porcentaje de pérdidas estimadas por estreses bióticos y abióticos Adaptado de: Buchanan, Gruissem and Jones. Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000. a Rendimiento máximo Rendimiento promedio Pérdidas promedio (Kg/Ha) Pérdidas abióticas Cultivo (Kg/Ha) (Kg/Ha) Bióticasa Abióticasb (% rend. max.) Maíz 19.300 4.600 1.952 12.700 65,8 Trigo 14.500 1.880 726 11.900 82,1 Soja 7.390 1.610 666 5.120 69,3 Sorgo 20.100 2.830 1.051 16.200 80,6 Avena 10.600 1.720 924 7.960 75,1 Cebada 11.400 2.050 765 8.590 75,4 Papa 94.100 28.300 17.775 50.900 54,1 Remolacha 121.000 42.600 17.100 61.300 50,7 Los estreses bióticos incluyen enfermedades, insectos y malezas. b Los factores abióticos ambientales incluyen, pero no se limitan a, sequía, salinidad, inundación, y altas y bajas temperaturas. El incremento de la producción agrícola no puede sustentarse indefinidamente en las tecnologías actuales Agrobiotecnología Tomado de: Tilman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999. Introducción La utilización incremental de insumos agronómicos al ritmo de la demanda de alimentos podría conducir a tensiones insostenibles para los agroecosistemas Las demandas futuras sobre la agricultura Agrobiotecnología Introducción Incremento de la demanda mundial de alimentos Agrobiotecnología Introducción Demanda proyectada de los principales cereales La demanda global de alimentos se incrementará entre dos y tres veces en los próximos veinte años Proyección de la demanda mundial de cereales Demanda proyectada de la demanda mundial de cereales (Norman Borlaug, abril de 2001) Producción 1999 (M de Tm) Demanda 2025 (M de Tm) Rendimiento 1999 (Tm/Ha) Rendimiento 2025 (Tm/Ha) Trigo 585 900 2,7 3,8 Arroz 607 900 3,1 4,3 Maíz 605 1.000 4,1 5,9 2.074 3.100 2,9 4,1 Todos los cereales • Se requiere un aumento de producción del 45% en 30 años (ISAAA, 2000) • En los próximas 25 años los campesinos de Asia deben incrementar los . rendimientos de los cereales en 50-75% (Borlaug, 1999) • Proyecciones estimadas: - Area cultivable adicional - Ganancia de productividad 7% 93% Proyecciones de FAO sobre la producción mundial de alimentos Agrobiotecnología Introducción Tomado de: Agricultura Mundial: hacia los años 2015-2030, FAO, 2015. Para 2030, la FAO prevé multiplicar la producción de cereales y de carne por 1,2 y la de oleaginosas por 1,3 respecto de 2015. En los países en desarrollo, los respectivos incrementos serían de 1,2, 1,3 y 1,4%. No sólo se requieren más alimentos, sino también mejores alimentos Las necesidades nutricionales no están debidamente cubiertas cuando la dieta se basa en un solo cultivo. Esta situación es común en muchos países en desarrollo. • La deficiencia de vitamina A afecta a 250 millones de personas y causa la ceguera de 500.000 niños por año. • La deficiencia de lisina reduce el valor nutricional de los granos de cereales. • La ingesta de glicoalcaloides en las comunidades Andinas provoca desórdenes alimentarios. Agrobiotecnología Introducción • La ingesta de glucósidos cianogénicos debida al pobre . procesamiento de la casava produce intoxicaciones en . situaciones de escasez de alimentos. • Las deficiencias en hierro, iodo y zinc debilitan a mujeres embarazadas y a niños y afectan a 2.000 millones de personas. La demanda de alimentos tiene un componente demográfico y un componente de desarrollo económico • La población mundial se incrementará en unos 3.000 millones de . personas hacia el año 2050. Este crecimiento ocurrirá predominantemente . en la cuenca asiática y el continente africano. • Las economías asiáticas crecerán a una tasa anual de 5-6% y . comprenden un mercado potencial de 2.800 millones de personas. 12 Australia 1400 1200 China India USA 10 2001 2030 2050 8 1000 6 800 600 4 400 2 200 millones 0 Australia China India Japón Corea USA Proyecciones demográficas 1990-2001 2001-2010 2010-2030 2030-2050 Promedio 2001-2050 Crecimiento promedio anual del PBI (%) La demanda de proteína animal genera un desafío adicional para la futura producción de alimentos La demanda debida al desarrollo económico será el principal desafío para la capacidad de producción de alimentos en el futuro. Se calcula que en el 2020 los países no desarrollados dedicarán el 26% de la producción de cereales a la alimentación animal; este porcentaje alcanzará el 60% en los países desarrollados. •700 Millones de Tm 1997 •600 2020 •500 •400 •300 •200 •100 •0 Carne Leche Incremento de la producción de carne y leche La demanda de alimentos para animales traerá implicará un incremento considerable de la producción de granos y harinas proteicas La demanda de biocombustibles introducirá grandes tensiones sobre los sistemas agrícolas Cambios en el consumo energético primario a nivel global Exajoules por año Escenario de estabilización de carbono Reducciones energéticas Energía Nuclear Energía Hídrica Energía solar y Eólica Biocombustibles Combustibles fósiles Año Tomado de: Departamento de Energía, USA, 2006. Los biocombustibles podrían representar más del 50% de las fuentes futuras de energía en algunos planteos de cambio de las matrices energéticas La “huella ecológica”`permite cuantificar en forma simple requerimientos máximos para lograr la autosustentabilidad La Huella Ecológica es el área biológicamente productiva necesaria para producir los recursos que consume y absorber los desechos que genera una población. En el mundo existen solamente 2,1 ha de espacio productivo disponible para cada persona, pero la Huella Ecológica promedio mundial es de 2,9 ha por persona; ello significa que la humanidad está sobrepasando la capacidad ecológica de la biosfera en casi un 35 por ciento. Demandas para la agricultura del Siglo XXI Hacia el año 2030: Cantidad Calidad Diversidad Sustentabilidad Se duplicará o triplicará la demanda mundial de alimentos; la mayor parte de esta demanda provendrá de los países asiáticos. Aumentarán la demanda de productos de mayor calidad (proteína animal), diversidad (dietas balanceadas y alimentos funcionales) y valor agregado (alimentos procesados). Se incrementará la demanda de bioenergía (biocombustibles, biogás), biopolímeros e insumos de origen biológico. Las estrategias productivas deberán contemplar la sustentabilidad de los recursos naturales y la preservación de la biodiversidad y del medio ambiente. Producir más con menos Tierra cultivable La tierra cultivable, pasturas y bosques disponible por persona es hoy de 0,46 ha/persona; en 2039 será de 0,23 ha/persona. Los procesos de urbanización continuarán compitiendo por tierras productivas. La degradación de los suelos afecta a un 20% de la tierra productiva del planeta; cada año se pierden 6-10 millones de ha por esta causa. Agua para irrigación El 70% del agua potable es usada por la agricultura. Europa sólo puede autoabastecer entre 20 y 50% de su consumo de agua. Una crisis similar se plantea en China con el creciente descenso de las napas de agua. En 2015, más de 3.000 millones de personas, vivirá en países con acceso a menos de 1.700 m3 de agua per capita por año. Insumos primarios Las fuentes de fosfato fácilmente accesibles se agotarán hacia finales de este siglo. Los compuestos nitrogenados (fertilizantes) se encarecerán en la medida que se agoten los yacimientos de gas y petróleo. Los eflujos de estos dos insumos provocan graves problemas ambientales. ¿Es posible encarar un proceso de intensificación sustentable? Objetivos mínimos a 2050 Producción de alimentos Producción agrícola total Distribución y acceso a los alimentos Resiliencia del sistema alimentario Objetivos de seguridad alimentaria Objetivos ambientales Emisiones de gases de efecto invernadero Polución de aguas Uso no sustentable del agua Pérdidas de biodiversidad Objetivos mínimos a 2050 Producción de alimentos Producción agrícola total Distribución y acceso a los alimentos Resiliencia del sistema alimentario Objetivos de seguridad alimentaria Objetivos ambientales Agrobiotecnología Emisiones de gases de efecto invernadero Pérdidas de biodiversidad Polución de aguas Uso no sustentable del agua Introducción Esquema cualitativo de los objetivos mínimos a lograr en términos de seguridad alimentaria y sostenibilidad ambiental para satisfacer las demandas de producción previstas para 2050. Las interacciones entre ambiente, sociedad y conocimiento son críticas para lograr la sustentabilidad alimentaria Agrobiotecnología Introducción Las opciones posibles • Adoptar prácticas agrícolas más sostenibles . (relaciones agro-ecosistémicas) • Introducción de cosechas múltiples y de cultivares . de alto rendimiento en agriculturas subdesarrolladas • Introducir métodos irrigación con ahorro de agua • Introducir mayor eficiencia en el uso de nutrientes . (agricultura de precisión; biofertilizantes) • Cerrar las brechas de productividad en los cultivos . con menor grado de mejoramiento • Disminuir las pérdidas durante el almacenamiento . y la distribución de alimentos Agrobiotecnología Introducción • Cambiar los hábitos alimentarios • Combinar los instrumentos tradicionales con las . nuevas técnicas del mejoramiento genético De la Revolución Verde a la Revolución Genética Agrobiotecnología Introducción Una revolución en la revolución: el advenimiento de la high throughput science • Se están generando nuevos esquemas interpretativos que intentan comprender a los organismos como sistemas o redes de subsistemas; esto implica una profunda renovación conceptual y el desarrollo de nuevos métodos experimentales. • Los campos paradigmáticos de esta tendencia son la genómica, la transcriptómica, la proteómica y la metabolómica. • La adquisición de datos en gran escala genera organizaciones con alto grado de automatización y especialización del trabajo. • La clasificación y procesamiento de la información requiere fuertes capacidades en bioinformática. Arriba: microarreglo de DNA; abajo: pirosecuenciador de DNA La nueva agrobiotecnología tiene muchas caras • Mejoramiento asistido: marcadores moleculares, genómica • Técnicas de cultivo in vitro: micropropagación, genética de células somáticas, embriogénesis somática • Cultivos transgénicos • Diagnóstico de patógenos • Fitorremediación • Ingeniería metabólica • Nutracéuticos y cosmocéuticos • Biotecnología marina • Molecular farming • Reproducción y transgénesis animal • Control biológico • Salud animal Rendimientos promedios y potenciales de los cultivos de arroz, maíz y trigo Rendimientos promedio en Kg/Ha (1995-1999) América Central USA MAX Argentina Agrobiotecnología Introducción Tomsdo de: FAOSTAT, 2000. Biotecnología y productividad Incrementos de productividad por mejoramiento asistido: Marcadores moleculares Mapeo genómico de características de interés Genómica comparativa Incrementos de productividad por ingeniería genética: Resistencia a plagas (insectos, nemátodos) Resistencia a enfermedades (virus, bacterias, hongos) Tolerancia a herbicidas Tolerancia a sequía y salinidad Tolerancia a altas y bajas temperaturas Tolerancia a heladas Mejoramiento vegetal por cruzamiento genético P1 (parental 1) Resistente P2 (parental 2) Sensible X 1 2 3 F1 Resistente Retrocruza de F1 con P2 1 2 3 50% P1 25% P1 12,5% P1 6,25% P1 Seis ciclos de retrocruza con P2 3,12% P1 1,65% P1 Agrobiotecnología Introducción 7ma retrocruza con una porción de cromosoma conteniendo el gen de resistencia R La 7ma retrocruza es resistente y predominan los genes de P2 0,83% P1 0,42% P1 Mejoramiento vegetal por ingeniería genética Genes de resistencia aislados Gen A Planta resistente de la especie A Gen B Planta resistente de la especie B Gen C Planta resistente de la especie C Construcción genética con múltiples genes de resistencia (A, B y C) Gen A Gen B Gen C Transformación de la línea de interés A, B y C Múltiple resistencia en una línea transgénica X Agrobiotecnología Introducción Pocas generaciones de retrocruzas requeriadas antes de identificar una nueva línea de utilidad Cultivares susceptibles para mejoramiento 17% 2,13 2,1 Fertil zantes Contribución de distintas tecnologías: prospectiva al 2025 23% (1015) 2 ,2 9 -0,13 Riego 5,17 11,28 5,1 5,17 10,06 5,1 reservas -0,13 1,23-1,12 5,1 5,17 reservas calorías / año (10 (101515)) Calorías/año 5,17 5,1 Calorías/año (1015) reservas Calorías/año (1015) -0,13 -0,13 -0,13 1,23 Fertil zantes conversión 23% Fertilizantes Biotecn 17% 17% Fertilizantes 2,13 2,13 Biotecnología Brecha Riego 29% 2,29 Pérdidas por Tierra 2,29 -0,13 cultivable -1,12 conversión Riego -0,13 31% -1,1229 -1,12 1,23 1,23 1,72 1,72 17% 23% 172,29 % 2,13 -1,12 29% 2,13 1,72 5,1 5,17 2,29 Brecha 5,1 5,17 5,1 5,17 por-0,13 -1,12 Pérdidas Tierra cultivable 7,37-1,12 1,72 reservas 17 2,29 Producción de cultivos Biotecnología Brecha 31% -1,12 31% 23% Fertilizantes 23% Riego Riego 29% 29%Tierra Biotecnología Pérdidas po Pérdidas por Tierra Biotecnología cultivable conversión Mejor conversión 31% cultivable 29% Producción de cultivos Tier a Pérdidas por Produc ión Mejoramientos Brecha Brecha 31% conversTierra ión dePérdidas cultivableOferta Demanda OfertaDemanda Demanda Oferta 1995 2025 por Producción c u l t i v o s Oferta Demanda Brech1995 a 31% 1995 por conversión Tierra cultivablePérdidas Producción Biotecnología ferta Demanda Oferta Tier a Pérdidas por cultivable conversión Produc ión de cultivos cultivable 1995 19 5 19 5 1995 de cultivos de cultivos Tomado de Kem, M., 1995, 2005. conversión Mejoramientos 1995 1995 Mejoramientos Mejoramientos Demanda OfertaDemanda Demanda Oferta Oferta 1995 1995 2025 Mejoramientos Demanda Oferta Demanda Oferta Demanda Oferta Demanda Oferta Oferta Demanda 1995 1995 DemandaOferta DemandaOferta 2025 Demanda Of e r t a Demanda Of e r t a Of e r t a De m a n d a 19 5 210925 Oferta Demanda Demanda Oferta Demanda Oferta Tomado de Kem, M., 1995, 2005. Oferta Oferta Dem Dem Tomado de Kem, M., 1995, 2005. Tomado de Kem, M., 1995, 2005. Las promesas de la biotecnología aplicada a la agricultura • Incremento de la eficiencia productiva • Descenso de los costos de producción - Menor uso de insumos agronómicos - Menor uso de insecticidas y pesticidas • “Desmaterialización” de la producción - Menor utilización de suelos y agua - Estructuras de producción más simples • Habilitación de tierras marginales • Desarrollo de nuevos productos - Nutracéuticos, biopolímeros • Vinculaciones con otros campos económicos Agrobiotecnología Introducción - Biocombustibles - Biofármacos - Biorremediación • Incremento en los ritmos del mejoramiento de plantas y animales Implicancias socioeconómicas • Aumento de la productividad; descenso . de costos y precios • Distinta vinculación de los productores con el mercado • Mayor integración con otros sectores productivos; nuevos nichos económicos • Desarrollo de las cadenas agroindustriales • Reconversión de la fuerza de trabajo • Formas innovativas de asociación • Mayores exigencias de gerenciamiento y profesionalización Agrobiotecnología Introducción • Mayor requerimiento de inversión en . investigación e insumos tecnológicos • Desarrollo de nuevas formas de captura . de valor (patentes, licencias, etc.) Beneficios y riesgos • Beneficios: - Beneficios para los productores (descenso de costos de producción) - Beneficios para los consumidores (descenso en el precio de los alimentos) - Beneficios para las empresas (mayores ingresos por tecnología) - Beneficios ambientales (menor impacto ambiental y menor uso de suelos) • Riesgos: Agrobiotecnología Introducción - Privatización del conocimiento y concentración económica - Aadaptación de la tecnología a las necesidades de los pequeños productores. - Ampliación de la brecha tecnológica y mayor dependencia de los países pobres - Mayor importación de insumos y tecnología por parte de los países en desarrollo Concentración económica en la industria agrobiotecnológica El proceso de concentración de la industria agrobiotecnológica (1990-2002). Se indican las utilidades anuales para el conjunto de las compañías mencionadas en millones de dólares. La industria vinculada con la agrobiotecnología atravesó un acentuado proceso de concentración en los últimos 25 años. Actualmente, cuatro grandes compañías americanas unidas en dos alianzas (Cargill/Monsanto y Novartis/ADM concentran el 80% del mercado mundial de semillas y un 75% del de los agroquímicos. Eventos de transformación en países no desarrollados, agrupados por país, cultivo y fenotipo perseguido Continente País Africa Egipto Asia Latin América Total No de eventos Cultivos Fenotipo 17 Algodón, pepino, maíz, melón, papa, calabaza, tomate, trigo PA, RH, RH/TH, TH, TH/RI, O, CC, RV Kenia 4 Algodón, maíz, batata TH,TH/RI, O, CC, RV Sudáfrica 20 Manzano, vid, lupino, maíz, melón, mijo, papa, sorgo, soja, frutilla, caña de azúcar, tomate, legumbres nativas PA, RB, RH, TH, TH/PA, RI, CC, RV Zimbawe 5 Algodón, maíz, garbanzo, batata, tomate Rh, TH/RV, RV China 30 Repollo, chili, algodón, maíz, melón, papaya, papa, arroz, soja, tomate PA, RH, RI, RV India 21 Repollo, coliflor, garbanzo, citrus, berenjena, haba, papaya, papa, arroz, soja, caña de azúcar, batata, chalote PA, RH, TH/PA, RI, RI/RB, O, CC, RV Indonesia 14 Cacao, casava, pimiento, café, maiz, haba, papaya, papa, arroz, chalote, soja, caña de azúcar, batata, maní PA, RH, RI, CC, RV Malasia 5 Palma, papaya, arroz TH, RI, RV Pakistan 5 Algodón, arroz TH, RI, RV, CC Filipinas 17 Banana, plátano, maíz, mango, papaya, arroz, tomate PA, O, RV Tailandia 7 Algodón, papaya, pimiento, arroz PA, RB, RV, RI Argentina 21 Alfalfa, citrus, papa, soja, frutilla, girasol, trigo PA, RB, RH, RI, RI/RB, O, CC, RV Brasil 9 Frijol, maíz, papaya, papa, soja PA, RB, RH, TH, RI, CC, RV Costa Rica 5 Banana, plátano, maíz, arroz PA, RI, RV México 3 Banana, plátano, maíz, papa RI, RV 201 Tomado de: Cohen, Nature Biotechnology, 2005. PA: propiedades agronómicas; RH: resistencia a hongos; TH: tolerancia a herbicidas; RI: resistencia a insectos; RB: resistencia a bacterias; RV: resistencia a virus; ; CC: caracteres de calidad; O: otros. El algodón resistente a insectos: el caso de China Efectos del algodón resistente a insectos en China El algodón Bt comenzó a sembrarse en China en 1997 y fue rápidamente adoptado por los productores. Sus beneficios económicos, términos de rendimiento y ahorro de costos de producción se evaluaron en 334 millones de dólares en 1999. El algodón Bt es utilizado actualmente en China por 7,1 millones de pequeños agricultores. La biotecnología puede ser una herramienta estratégica para el desarrollo de las economías más pobres • La biotecnología es en esencia una tecnología de la información, con un gran potencial de aplicación en muchos sectores económicos. • En la medida que la tecnificación avance, la agricultura transitará crecientemente hacia modalidades de producción históricamente asociadas al desarrollo industrial. Este proceso diluye cada vez más el carácter "primario" generalmente asociado a este sector. • El desarrollo de nuevos nichos productivos permitirá crear múltiples relaciones con otros sectores económicos. Biofármacos, biopolímeros, lubricantes, biocombustibles, química fina, fibras y maderas mejoradas, son sólo los emergentes visibles de un fenómeno mucho más amplio. • La explotación de estos nichos por los países en desarrollo generaría nuevas fuentes de riqueza, contribuiría a mejorar su balance externo y promovería una distribución más equitativa de los beneficios económicos. Los cultivos transgénicos Agrobiotecnología Introducción Los cultivos genéticamente modificados son parte de la solución • Aumentar la producción de alimentos para abastecer el crecimiento poblacional y compensar el descenso de productividad y la reducción de tierra cultivable - Aumentar la eficiencia del mejoramiento - Introducir resistencia a pestes y enfermedades - Introducir tolerancia a temperaturas y sequías - Expandir la producción a suelos marginales • Aumentar la calidad nutricional y compensar dietas mal balanceadas - Compensar deficiencias en vitaminas y micronutrientes - Eliminar compuestos tóxicos: cianuros, glicoalcaloides, etc. • Disminuir los costos de producción y aumentar el valor agregado Agrobiotecnología Introducción - Aumentar la producción introduciendo caracteres de productividad - Crear valor introduciendo productos para mercados especializados (biocombustibles, polímeros) • Disminuir la degradación del medio ambiente - Introducir caracteres genéticos que requieran baja o mejor utilización de insumos químicos - Promover aplicaciones en biorremediación Países que siembran cultivos transgénicos (2014) Tomado de: Clive James, ISAAA Brief #49, 2014. ha x 106 Estados Unidos Brasil Argentina India Canadá China Paraguay Pakistán Sudáfrica Uruguay Bolivia Filipinas Australia Burkina Faso Myanmar México España En 2014 se sembraron cultivos transgénicos comprendiendo 181,5 millones de ha de 28 países 73,1 42,2 24,3 11.6 10,6 3,9 3,9 2,9 2,7 1,6 1,0 0,8 0,5 0,5 0,3 0,2 0,1 Los cultivos transgénicos todavía abarcan pocas especies y caracteres Distribución porcentual por cultivo (2014) Otros cultivos: papaya y calabaza resistentes a virus, álamo resistente a insectos, clavel azul, alfalfa y remolacha azucarera tolerantes a herbicidas Distribución porcentual . Por caracteres genéticos (2014). Se comercializan también cultivos con resistencia a virus, tolerancia a sequía, Tasas de adopción de los principales cultivos transgénicos en relación al área total del cultivo (millones de ha; 2014) Tomado de: Clive James, ISAAA Brief #49, 2014. Las nuevas generaciones de cultivos y animales transgénicos • Calidad nutricional mejorada • Resistencias a estreses hídricos y salinos • Resistencias a altas y bajas temperaturas • Alteración de los ritmos de crecimiento y maduración • Alteración de la morfología y de la arquitectura de las plantas • Utilización de cultivos y animales como biorreactores Agrobiotecnología Introducción • Utilización de cultivos para la producción de biocombustibles La agrobiotecnología y la Argentina Agrobiotecnología Introducción La agricultura y la economía argentina Composición de las exportaciones. Primeros 11 meses de 2007 Productos primarios 23% Manufacturas de origen agropecuario 34% Manufacturas de origen industrial 31% Combustibles y energía 12% Producto Bruto Nacional: U$S 211.700 M Exportaciones totales: U$S 40.898 M 57% ~3% de las exportaciones mundiales de alimentos Exportaciones de cereales y oleaginosas: Soja Aceite de soja Harina y "pellets" de soja Maíz Trigo U$S 3.225 M U$S 3.748 M U$S 5.178 M U$S 2.141 M U$S 1.466 M Fuente: INDEC Nuevas tendencias en la agricultura argentina Mejores métodos de manejo agrícola: • Siembra directa y control de degradación de suelos • Uso eficiente del agua • Control integrado de plagas y rotación de cultivos • Biofertilizantes y cultivos de cobertura • Agricultura de precisión Métodos de mejoramiento genético más eficaces: • Mejoramiento asistido por técnicas moleculares y . de cultivo de tejidos • Ingeniería genética y transformación de cultivos • Ingeniería de microorganismos • Biotecnología ambiental Tasas de adopción de cultivos transgénicos en relación al área total por cultivo en Argentina (1996-2014) Tomado de: Argenbio 2015; MINAGRI, 2015. Introducción de variedades transgénicas en Argentina Tomado de: Trigo, 2011. Evolución del área sembrada con cultivos transgénicos en Argentina (en millones de hectáreas) Soja TH + 62 mil has. de soja BtXTH Evolución del área sembrada con variedades transgénicas de soja, (arriba) maíz (medio) y algodón (abajo). Bt: Resistencia a insectos TH: Tolerancia a herbicidas Bt x TH: transgenes apilados Fuentes: MINAGRI y Argenbio, 2013. Fuente: ArgenBio - Minagri Evolución del área sembrada bajo siembra directa y del tipo de herbicidas utilizados en Argentina (1996-2010) La combinación de siembra directa/cultivos transgénicos comenzó se generalizó desde 1998. En 2005-2006 aparecieron las primeras malezas tolerantes a glifosato. El área cultivada con cultivos transgénicos en 2014 fue de 25 millones de ha. Ensayos de campo de cultivos transgénicos en Argentina Ensayos de campo de variedades transgénicas por cultivo (1991-2010) Tomado de: CONABIA y Trigo, 2011. Evolución de las características genéticas sometidas a ensayos de campo en Argentina (1991-2010) Tomado de: Trigo, 2011. Origen de los ensayos de campo autorizados en Argentina (1991-2010) Tomado de: Trigo, 2011. Cultivos transgénicos autorizados en Argentina Fuente: CONABIA, 2015 Cultivos transgénicos autorizados en Argentina En 2015 CONABIA aprobó la liberación ambiental de los dos primeros cultivos transgénicos argentinos: • Papa resistente a virus (CONICET/Tecnoplant) • Soja tolerante a sequía (CONICET/UNL/Bioceres) Fuente: CONABIA, 2015 Impacto económico de la soja transgénica en Argentina Distribución de beneficios económicos entre productores y proveedores de tecnología para el caso de la soja transgénica (1996-2011) Agrobiotecnología Introducción Tomado de: Trigo, 2011. La Argentina puede ser un actor en la generación de agrobiotecnología Fortalezas: - Larga tradición en biociencias - Acceso a rica biodiversidad - Regulación en bioseguridad y aptitud alimentaria - Incipiente desarrollo biotecnológico propio - Buena aceptación pública de la biotecnología Oportunidades: - Incremento de la demanda mundial de alimentos - Incremento de la demanda de insumos derivados . de la agricultura - Demanda de insumos bioenergéticos e industriales - Demanda interna y externa en salud humana y animal La Argentina puede ser un actor importante en la generación de agrobiotecnología Debilidades: - Cultura de innovación poco desarrollada (en el sector de investigación y en el sector productivo) - Baja inversión de riesgo - Estructuras de transferencia débiles en el sector público - Insuficiente desarrollo del marco de propiedad intelectual - Acceso tardío a campos científicos estratégicos Amenazas: - Requerimientos de normas estrictas de calidad - Restricciones externas derivadas de prácticas proteccionistas - Desarrollo biotecnológico en otros países no desarrollados Productividad, valor agregado, diversificación • Incremento de la productividad agrícola - Incremento de rendimientos - Control de pestes y enfermedades - Habilitación de tierras semi-áridas • Valor agregado - Proteína animal - Calidad nutricional - Producción de moléculas específicas - Producción de biocombustibles y polímeros • Diversificación - Cultivos regionales - Producción animal - Recursos marinos y acuicultura El desarrollo de polos agroindustriales permitiría integrar el territorio a partir de las economías regionales • ¿Polos agroindustriales? - Cultivos intensivos - Industria forestal - Frutales, horticultura, floricultura - Industria vitivinícola - Producción de animales menores - Maricultura y acuicultura • Biorrefinerías para el procesamiento de biomasa • Desarrollo basado en las ciudades secundarias • Políticas sectoriales concertadas (educación, vivienda, salud, . infraestructura) La biotecnología es parte de una nueva cultura productiva • Se requiere generar biotecnologías apropiadas para impulsar un desarrollo económico sostenible. • Las nuevas aplicaciones biotecnológicas deben adaptarse a los sistemas de producción locales y regionales y a las necesidades de los pequeños y medianos productores. • Los productores deben concebir a la innovación tecnológica como parte de su propia actividad y deben aprender a reconocer las ventajas y los riesgos. Agrobiotecnología Introducción • La innovación tecnológica requiere diálogo y participación permanente de todos los actores involucrados. La Argentina tiene ante sí una gran oportunidad • Dispone de insumos que se harán cada vez más escasos . (suelos, agua, biodiversidad) • Es un gran productor de alimentos • Puede generar biotecnología propia • Puede agregar valor agregado en las cadenas agroalimentarias . vinculándolas a otros sectores económicos (agroindustria) • El desarrollo agroindustrial tendría un fuerte efecto en . el desarrollo económico y territorial del país Referencias 1.El estado mundial de la agricultura y la alimentación, 2003-2004. La biotecnología agrícola: ¿una respuesta a las necesidades de los pobres?. FAO, 2004. (En: http://www.fao.org/documents/show_cdr.asp?url_file=/DOCREP/006/Y5160E/y5160e08.htm) 2. The state of food and agriculture. FAO, 2013 (En: http://www.fao.org/docrep/018/i3300e/i3300e00.htm) 3. Agricultura mundial: hacia los años 2015-2030. FAO, 2015. (En: ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/004/y3557S/) Agrobiotecnología Introducción 4. Meiri, H. and Altman, A. Development trends toward the 21st century. In: Agricultural Biotechnology. Altman, A. (ed.). pp. 1-19. Marcel Dekker, 1998. 6. Trigo, E. Quince años de cultivos genéticamente modificados en Argentina. Argenbio, 2011. 7. Foley, J. et al. Solutions for a cultivated planet. Nature, 478:337-342, 2011. 8. Reaping the benefits. Science and the sustainable intensification of global agriculture. The Royal Society. Report 11/09, 2009. 9. Park, J. R. et al. The role of transgenic crops in sustainable agriculture. Plant Biotechnolgy Journal, 9:2-21, 2011. 10. Deepak, K. R. et al. Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PLoS ONE 8(6): e66428. doi:10.1371/journal.pone. 0066428. 11. Klumper, W and Qaim, M. A Meta-Analysis of the Impacts of Genetically Modified Crops. s. PLoS ONE 9(11): e111629.doi:10.1371/ journal. pone.0111629. Resumen de proyecciones 2015-2030 de la Organización para la Alimentación y la Agricultura (FAO) Agrobiotecnología Introducción Resumen de proyecciones 2015-2030 de la Organización para la Alimentación y la Agricultura (FAO) Agrobiotecnología Introducción