Sin título de diapositiva - WGIN...Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo Centro...

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Wheat Wheat Harvest Plus Project Harvest Plus Project Ivan Ivan Ortiz Ortiz Monasterio Monasterio CIMMYT

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WheatWheat Harvest Plus ProjectHarvest Plus Project

IvanIvan OrtizOrtiz MonasterioMonasterio

CIMMYT

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CIMMYT

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CIMMYT

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CIMMYT

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CIMMYT

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CIMMYT

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CIMMYT

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CIMMYT Leading CenterWheat H+ Team

• Indian Agricultural Research Institute (IARI)

• Banaras Hindu University• Punjab Agricultural

University• Pakistan Agricultural

Research Council (PARC)• Chinese Academy of

Agricultural Sciences

• University of Adelaide• Cornell University• Danish Institute of

Agricultural Sciences• Michigan State University• PIRSA/SARDI / Australia• Sabanci University, Turkey• IFPRI• CIMMYT

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Istanbul, TurkeySeptember 2004

Beijing, ChinaOctober 2005

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OBJECTIVE

To develop and deploy wheat varieties that combine high yield and disease resistance

with high micronutrient concentration in the target countries.

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Target Nutrients

• Iron• Zinc

• Beta carotene

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Target Countries

Based on severity of micronutrient malnutrition and importance of wheat in their diet.

• India• Pakistan

• Turkey• China• Central Asia

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Target Levels

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Baseline Micronutrient Level in Commercial Crop

Genetic Variation in Wild relatives, Landraces, Un adapted varieties

Iron

Target Increment µg-1 to be added

22 µgg-1

69 µgg-1

35 µgg-1

57 µgg-1

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Baseline Micronutrient Level in Commercial Crop

Genetic Variation in Wild relatives, Landraces, Un adapted Varieties

Zinc

Target Increment µg-1 to be added

10 µgg-1

85 µgg-1

40 µgg-1

50 µgg-1

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Critical Steps

Target GermplasmGenetic Backgrounds/Progenitors

Trait IncorporationTrait IncorporationTransgenic

DefinitionEnd-Product & Target Area

Evaluation & TestingEvaluation & TestingAgronomic, End-use Quality, G x E

Conventional

Deployment Formal & Informal Seed Systems, PVS, PPB

x M x P

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Germplasm Screening

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CIMMYT Wheat and Maize Gene Bank

Constructed 1996

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167,000 wheat accessions

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Beta-Carotene

• So far no genetic diversity for B-carotene in wheat.

• Main pigment in yellow wheat is lutein

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Mean and Ranges for Fe and Zn in WheatCIMMYT

FeGermplasm Sample Min Max Mean

ppm ppm ppm

T. dicoccum n=42 22 44 31

T. monococcum n=57 21 62 39

T. dicoccoides n=170 20 61 36

Synthetics n=439 39 67 24

T. spelta n=274 25 67 38

T. spelta n=277 21 60 35

T. aestivum (F7) n=228 27 59 42

T. aestivum n=194 22 43 31Target

+22 ppm

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Mean and Ranges for Fe and Zn in WheatCIMMYT

ZnGermplasm Sample Min Max Mean

ppm ppm ppm

T. dicoccum n=42 16 63 32

T. monococcum n=57 33 85 58

T. dicoccoides n=170 24 85 58

Synthetics n=439 20 83 32

T. spelta n=274 17 74 44

T. spelta n=277 16 78 43

T. aestivum (F7) n=228 22 59 31

T. aestivum n=194 18 38 26

Target+10 ppm

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Zn Donor Parents (DP) with NARS

Checks DP with NARS New DP

+ 35 ppm

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Fe Donor Parents (DP) with NARS

Checks DP with NARS New DP

+ 30 ppm

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Modern Varieties

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

YIEL

D

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

GENOTYPEChecks

Differences are statistically highly significant

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Modern Varieties

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

Zn

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

GENOTYPE

+ 7 to + 11 ppm Zn

Checks

Differences are statistically highly significant

Znppm

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Modern VarietiesSAMNYT – Sister Lines

+27 Zn+17 Fe

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Correlation Matrix for Different Nutrients in Triticum spp.

ZnZn P Fe Mg S Cu Mn

1.00 0.72 0.70 0.67 0.65 0.65 0.570.0 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001

Na B K Ca0.35 0.30 0.20 0.09

0.0001 0.0001 0.0080 0.2494

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Strategy for South Asia

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SOUTH ASIAIndia

PAU

BHU

IARIPAU

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SOUTH ASIAPakistan

NARC

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WHEAT PRODUCTION STATISTICS OF SOUTH ASIA (1999-00)

Country Area(000 ha)

Yield(t/ha)

Prodn.(000 t)

Area Under One Main Variety (000 ha)

Bangladesh 700 2.4 1680 525 (= Kanchan, 75 %)

India (Country) 27000 2.8 75640 4500 (= PBW-343, 16.7 %)

India (North) 5560 4.2 2309 4000 (= PBW-343, 71.9 %)

Myanmar 98 0.9 85 73 (= Sonalika,75 %)

Nepal 660 1.8 1188 200 (= NL-297, 30 %)

Pakistan 9100 2.5 22500 6370 (= Inqilab 91, 70 %)

South Asia 37558 2.7 101093 ----------

North * = States of Punjab and Haryana only.North * = States of Punjab and Haryana only. Data from Ortiz Ferrara

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1986

1986

1991

19911992/3 1993/4

1997/8

1995/61994/5

1998

1983

1985

Movement of Yr9 Virulence

Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y TrigoCentro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo

Pak-81 withInqalab

Source: R. P. Singh

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20012001

Movement of Yr27 Virulence

Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y TrigoCentro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo

2005

Source: R. P. Singh

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Movement of Ug 99 Virulence

Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y TrigoCentro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo

Stem Rust (Puccinia graminis)Stem Rust (Stem Rust (PucciniaPuccinia graminisgraminis))

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Breeding

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Strategies for Adoption of Biofortified Varieties

• Higher yield • Better disease resistance• Better chapatti quality

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Wild Relatives / Landraces• Agronomic Problems

– Rust susceptible (dicoccoides)

– Winter types or excessively late

– Small spike and poor grain fill

– Shattering and not free-threshing

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PRESENT

• 40 BC2 with Spelt Wheat • 77 BC1 with other sources• 40 new crosses with Gpc-B1

• 109 ND-643 (Gpc-B1) derived lines in YT in Obregon. – Half tested positive for marker. – Answer if Gcp-B1 linked to higher Fe/Zn

content

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Breeding Challenges

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High-Throughput Screening Methods - Minerals

Agilent ICP-MS with LC interface

Pre-screening -> discard 75% - 85%

Precision Analysis: Micronutrients

Contamination Index Elements such as Al

Wolfgang H PFEIFFER

ICP Spectrometer

NIRS Prussian Blue Zincon & 2,2 dipyridal

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0102030405060

0 20 40 60 80Fe conc. (mg/kg)

Con

c. (m

g/kg

) ZnAl

R2=0.92

The Use of Al to Detect Iron Contamination in Potato

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Inqalab

y = 0.79x + 31.08R2 = 0.56

30

35

40

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0

Al

Fe

PBW343

y = 0.97x + 26.75R2 = 0.66

25

30

35

40

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

Al

Fe

Fe contamination with soil

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Zn Screening Y05-06

Zn Screening Y05-06PBW343 Sampling

Zn grain concentration (ppm

Zn grain concentration (ppm)

)

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Fe Screening Y05-06

Fe Screening Y05-06PBW343 Sampling

Fe grain concentration (ppm)

Fe grain concentration (ppm)

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Homogeneous Areas for Selectionand Evaluation for Zn

• Mapping• Zn application• Alpha-lattice, row and column designs and use

of systematic checks.

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Genotype x EnvironmentExperiment

• Randomized complete block design with three replication and twenty seven varieties.

• Planted in El Batan for two years and Obregon for three years. A total of six location by year sites.

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0102030405060

1 4 7 10 13 16 19 22 25

J731FeK731-FeGL731-FeBV96-FeBV97-Fe

Fe (p

pm)

Grain Fe concentration in six location x years

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0

10

20

30

40

501 4 7 10 13 16 19 22 25

J731-Zn

K731-ZnG

L731-Zn

BV96-Zn

BV97-ZnZn (p

pm)

Grain Zn concentration in six location x years

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G X E for Fe and Zn concentration

Sonora 64Fe Zn

Second FirstSecond ThirdFirst FirstXXX SecondThird. XXX

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G X E for Fe concentration

SAMNYT # 7Fe FirstThirdTenthFirstFirst Ninth

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Strategies to Increase Bioavailability

• Reduce inhibitors– Low phytic acid

• Increase promoters– High inulins

CIMMYT Wheat

0

10

20

30

40

50

60

0.0%0.2%

0.4%0.6%

0.8%1.0%

1.2%1.4%

1.6%1.8%

2.0%2.2%

% inulin (n=353)

freq

uenc

y (n

=350

)

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Zn-Nitrogen Correlationtested in 4 environments

1) RVT –DRY

2) RVT –WET

3) HAIFA

4) ATLIT

2

4

6

8

10

12

14

Mea

n(N

con

tent

)

.01 .015 .02 .025 .03 .035 .04 .045Mean(Zn content)

R=0.9***

Assaf et al., 2005

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• As the [Zn] in the grain increases also does the absorbed Zn in rats.

Zn Bioavailability

Welch et al, in preparation

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Wheat (2004)

Grandin

(42.2)

T.Dico

ccon

210(2

9.9)

T.Dico

ccon2

09(31

.3)

Pastor

110(3

2.2)

T.Dico

ccon3

7(32.5

)

T.Dico

ccon

36(35

.1)

T.Dico

ccon

173(3

6.1)

T.Dico

ccon

93(38

.4)

T.Dico

ccon

90(38

.8)

Sujata1

30(39

.7)

T.Dico

ccon1

00(40

.3)

T.Dico

ccon

153(4

2.0)

PBW343.1

20(44

.3)

Slvs/Pas

t.160

(44.5)

T.Dico

ccon

174(4

6.1)

Cmh81a

140(5

0.8)

Inqalab

150(6

5.7)

0

50

100

150

200

250

Wheat variety

Cac

o-2

Cel

l Fer

ritin

For

mat

ion

(% o

f ref

eren

ce c

ontr

ol)

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Food Processing & Bioavailability

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Aleuron EndospermEmbryo

Localization & Staining of Zinc in Wheat Seed

Zinc Staining (µgg–1 seed)

Ozturk et al., 2006Wolfgang H PFEIFFER

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Chapatti

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Effect of milling on ash and micronutrient concentrationEffect of milling on ash and micronutrient concentration•• No reduction of Fe & Zn when producing atta (whole meal).No reduction of Fe & Zn when producing atta (whole meal).•• Grain size and plumpness influence micronutrient losses in milliGrain size and plumpness influence micronutrient losses in milling; larger and ng; larger and plumper grains have greater micronutrient losses when passing thplumper grains have greater micronutrient losses when passing thru break rolls ru break rolls (cleaner separation)(cleaner separation)

•• In In 80%80%--extraction flour, extraction flour, 5353--60%60% of the total Fe and Zn in the grain is preserved.of the total Fe and Zn in the grain is preserved.•• In In 70%70%--extraction flour, extraction flour, 3838--45%45% of the total Fe and Zn in the grain is preserved.of the total Fe and Zn in the grain is preserved.

Ash and micronutrient concentration (% of total in grain. AveragAsh and micronutrient concentration (% of total in grain. Average of 4 e of 4 cultivars)cultivars)______________________________________________________________________________________________________________________MaterialMaterial AshAsh FeFe ZnZn

Yr1Yr1 Yr2Yr2 Yr1Yr1 Yr2 Yr2 Yr1Yr1 Yr2 Yr2 ______________________________________________________________________________________________________________________Grain 100a 100a 100a 100a 100b 100aWhole Meal - - 104.3a 97.9a 105.1a 96.6a80% extr’n. type 53.7b 52.3b 57.6b 54.7b 60.2c 56.3b75% extr’n. type 45.2c 43.8c 46.6c 47.5c 49.7d 46.1c70% extr’n. type 38.2d 38.5d 40.9d 38.9d 44.6e 41.3d___________________________________________________________

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Change in Composition affects Bioavailability & Nutritional Profile & warrants consideration in Breeding

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C a c o -2 c e l l f e r r i t in fo r m a t io n o f 1 5 v a r ie t ie so f M e x ic o w h e a t f lo u r s a m p le s

(w h o le w h e a t f lo u r v s r e f in e d f lo u r )

Gra

nd in(4

2.2)

B AC AN OR A(2

7.3)

B AC AN OR A(1

4.7)

T OR O

P I(47 .7

)

T OR O

P I(23 .5

)

B ET -HASH S IT

A(32.0

)

B ET -HASH S IT

A(16.4

)

D U R UM2656(3

6.5)

D U RU M2656(2

4.9)

OPAT A-4

85(34.5

)

OPAT A-4

85(16.9

)

B OB W

H ITE (3

1.8)

BOBW

H ITE (1

5.8)

N AINAR I-6

0(33.9

)

N AINAR I-6

0(18.6

)

R AYON -F

89(29.8

)

R AYON -F

89(14.8

)

C MH 81A.1

261(40 .8

)

C MH 81A.1

261(21.2

)

DGO

95.1.1

3(42.9

)

DGO

95.1.1

3(17.6

)

D UR U M2273(3

1.5)

D U R U M2273(2

3.1)

D GO

95.3.4

(42.8

)

D GO

95.3.4

(21 .7

)

D UR U M2812(3

4 .6)

D UR U M2812(2

3.7)

R EB EC A(28.9

)

R EB EC A(16.6

)

P ITIC

-62(2

8.4)

P ITIC

-62(1

4.0)

base line

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

3 0 0

3 5 0

4 0 0

4 5 0

5 0 0

5 5 0

w h e a t v a r ie t ie s a n d F e ( u g / g )

Ferr

itin

form

atio

n (%

of g

rand

in c

ontr

ol)

••Whole grain Fe levels was not correlated with Whole grain Fe levels was not correlated with bioavailablebioavailable Fe levelsFe levels••Fe levels in whole grain were 35Fe levels in whole grain were 35--55% higher than in 80%55% higher than in 80%--extraction flours extraction flours (i.e., milled grain)(i.e., milled grain)••However, Fe bioavailability (However, Fe bioavailability (ferritinferritin formation) was 2x to 5x higher in the formation) was 2x to 5x higher in the refined flours than in the whole grain floursrefined flours than in the whole grain flours

Grain milling and bread prepared by Javier Pena Source: Ross Welch

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Biotechnology

• Survey of candidate genes involved in micronutrient uptake, storage and translocation(ferritin, nicotianamin synthase)

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Ministry of Food, Agriculture and FisheriesDanish Intitute of Agricultural Sciences

Enhanced iron and zinc accumulation in transgenic rice with the ferritin gene (Vasconcelos et al. Plant Science 164, 371-378)

Enhanced iron and zinc accumulation in transgenic rice with the ferritin gene (Vasconcelos et al. Plant Science 164, 371-378)

Wild type Transgenic

IR68144 is a rice elite cultivar with increased iron content

Fe in seed endosperm

Cysgencis

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Biotechnology

• Development of molecular markers for Zn and Fe

• Populations being developed in Adelaide and Sabanci University.

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Thank you