Este documento describe los esfuerzos para mejorar nutricionalmente los cultivos, particularmente la yuca, mediante biotecnología. Explica brevemente los conceptos de biotecnología moderna, cultivos transgénicos y sus beneficios potenciales para la salud humana. Luego resume los experimentos realizados para aumentar los niveles de caroteno en la yuca a través de la transformación genética, logrando un aumento de 10 veces en el contenido de β-caroteno. Finalmente, agradece a los equipos de investigación

1. Mejoramiento Nutricional de Cultivos: El Caso de la Yuca Paul Chavarriaga, MS, MA, PhD (C)

2. Biotecnología

3. Mendel + Genética + Totipotencia + Agrobacterium = Biotecnología Moderna Para Mejoramiento de Plantas Gregor Johann Mendel 1822-84

4. Qué son plantas OGM? Son plantas cuya información genética ha sido modificada por la introducción de uno o varios genes, de organismos emparentados o distantes, mediante tecnologías no convencionales de mejoramiento que usan la Biotecnología

8.  -carotenos (amarillos)  -carotenos más toruleno, dehidro-  -caroteno (rojos) Acyrthosiphon pisum Science, vol 328:624, Abril 2010 La transferencia horizontal de genes es natural

9. Por qué se utiliza transformación genética? Componente del fitomejoramiento Incrementar competitividad agronómica Incrementar valor nutritivo Variedades seleccionadas por el agricultor Preservar el genotipo (heterocigocis) Reducir el tiempo Uso de silvestres y otras especies Características que no existían Resistencias más durables Supresión/sobrexpresión de características Nuevos promotores y genes producto de la genómica Control de la expresión de genes

10. Cómo puede la investigación en plantas contribuir a la promoción de la salud humana? “… modificar los factores de riesgo para enfermedades crónicas, y es en esta área, particularmente en la identificación y el entendimiento de los factores que en los alimentos que promueven la salud , que la investigación con plantas podría contribuir significativamente a resolver este gran reto” Martin et al (2011) The Plant Cell (23)1685-1699

11. GGPS PSY: limitante, expresión específica de tejidos u organos. PDS, ZDS Trans Licopeno, (desaturasas) CRTISO cambio de cis (plantas) a trans. LCY-b o LCY-e ciclan a licopeno Luego  y  -caroteno hidroxilados para formar xantofilas Biosíntesis de Carotenoides

12. Cultivos Biotecnológicos con más Carotenos Zanahoria (Hauptmann et al 1997) Tomate (Fraser et al 2002; Romer et al 2000) Tabaco (Busch et al 2002; Mann et al 2000) Arabidopsis (Lindgren et al 2003; Stalberget et al 2003) Canola (Ravanelo et al 2003; Shewmaker et al 1999) Papa (Romer et al 2002; Ducreuxet et al 2004; Diretto et al 2007) Arroz (Ye et al 2000; Paine et al 2005) Yuca (Welsch et al 2010) Maíz (Aluru et al 2008) Maíz multivitamínico (Naqvi et al 2009) Estrategías: sobrexpresión órgano específica e inactivación de genes. 47 µ g/g DW

13. Arroz Dorado tipo Indica y Japónica para Derregulacion. Hoa et al (2003) Plant Phys 133:161-169

14. Objetivo: Evaluar estabilidad de expresión en campo abierto y penetración del transgen.

15. M&M Tomate con 35S- t Lyc b (licopeno  -ciclasa de tomate). Evaluar estabilidad y producción en campo. T6-Homozigotas CRBD con 12 réplicas Controles: Isogénico Red Setter Híbrido comercial Perfect Peel

16. En condiciones de campo, casi todo el licopeno se convierte a b-caroteno.

17. Más tomate con más  -caroteno por sobrexpresión de  - Lyc

18. NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 26 NUMBER 11 NOVEMBER 2008 La sobre-expresión de dos factores de transcripción de Snapdragon encargados de la producción de antocianinas en la flor, pero esta vez expresados en el fruto de tomate.

20. Figure 3 Expression of Del and Ros1 causes the upregulation of genes required for anthocyanin biosynthesis and results in increased PAL activity and higher total antioxidant capacity. (a) Northern blots showing the differential expression of several anthocyanin biosynthetic genes identified by suppression subtractive hybridization. (b) Schematic representation of the anthocyanin biosynthetic pathway. Flavonoid classes relevant to this article are shown in boxes. Yellow box, flavonols; purple box, anthocyanins; PAL, phenylalanine ammonia lyase; 4CL, 4-coumarate:coenzyme A ligase; C4H, cinnamate 4-hydroxylase; C3H, 4-coumarate 3-hydroxylase; CHS, chalcone synthase; CHI, chalcone isomerase; F3H, flavanone-3-hydroxylase; F3¢H, flavonoid-3¢-hydroxylase; F3¢5¢H, flavonoid-3¢5¢-hydroxylase; FLS, flavonol synthase; DFR, dihydroflavonol reductase; ANS, anthocyanidin synthase; 3-GT, flavonoid 3-O-glucosyltransferase; RT, flavonoid 3-O-glucoside-rhamnosyltransferase AAC, anthocyanin acyltransferase; 5-GT, flavonoid-5-glucosyltransferase; GST, glutathione S-transferase; PAT, putative anthocyanin transporter. PAT and GST may be involved in transport of anthocyanins into the vacuole (purple circle). X, acyl group on the 3-glucoside moiety of the anthocyanin. (c) Analysis of specific PAL activity in ripe tomato fruit from wild-type and transgenic lines Del/Ros1C and Del/Ros1N. Histograms represent mean values ± s.d. of separate measurements (n ¼ 3). Results were confirmed in two additional independent experiments. (d) Analysis of hydrophilic and lipophilic antioxidant activity in ripe tomato fruit from wild-type and transgenic lines Del/Ros1C and Del/Ros1N. Data represent mean values ± s.d. and are derived from at least seven tomatoes per plant.

22.  -caroteno 169X (60  g/g) Vit C (ascorbato) 6X Vit B9 (folato) 2X

27. Silenciando la licopeno-  ciclasa (lyc-e); AS-e4 no se muestra pero fue la de mayor  -caroteno (?) Con tres genes de la ruta: crtB-crtI-crtY

28. Cuál es El Caso de la Yuca?

29. Friable Emb Callus Somatic Embryos Agrobacterium Regeneration & Propagation  -carotene GusPlus 1 2 3

30. Yuca con más carotenos (6 meses) Línea Xantofil Carotenos  -caroteno TC TCC DW (%) Cont (-) 0.1 0.4 0.4 0.5 0.5 24.88 12B 1.0 ( 10X ) 19.8 ( 49.5X ) 6.7 ( 16.75X ) 20.9 DW ( 41.8X ) (3,48 FW) 7.7 38% 16.69

31. Raíz de yuca liofilizada Carotenos (HPLC)

32. Cruzamientos con variedades amarillas

33. Cassava with enhanced  -carotene maintains adequate vitamin A status in Mongolian gerbils ( Meriones unguiculatus ) despite substantial cis-isomer content. Julie A. Howe, Bussie Maziya-Dixon and Sherry A. Tanumihardjo British Journal of Nutrition (2009), page 1 of 8

35. Gracias! Agradecimientos: Al equipo de La Plataforma de Transformación Genética del CIAT liderada por Beata Dedicova. A nuestros colaboradores de la Universidad de Freiburg (Alemania)