Detecting (trans)gene flow to landraces in centers of crop origin: lessons from the case of maize in Mexico

¹  Environmental Studies Program, University of California, Santa Barbara, CA 93106-4160, USA
²  Instituto Nacional de Investigaciones Forestales y Agropecuarias (INIFAP), Campo Experimental Valles Centrales, Melchor Ocampo No. 7, Santo Domingo Barrio Bajo, Etla, Oaxaca, México
³  Biometrics and Statistics Unit, International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT), Apdo. Postal 6-641, México D.F., México
⁴  Department of Plant Sciences/MS1, Section of Crop and Ecosystem Sciences, University of California, Davis, CA 95616-8780, USA

Corresponding author: cleveland@es.ucsb.edu

Abstract

There is much discussion of the probability of transgene flow from transgenic crop varieties to landraces and wild relatives in centers of origin or diversity, and its genetic, ecological, and social consequences. Without costly research on the variables determining gene flow, research on transgene frequencies in landrace (or wild relative) populations can be valuable for understanding transgene flow and its effects. Minimal research requirements include (1) understanding how farmer practices and seed systems affect landrace populations, (2) sampling to optimize Ne/n (effective /census population size), (3) minimizing variance at all levels sampled, and (4) using Ne to calculate binomial probabilities for transgene frequencies. A key case is maize in Mexico. Two peer-reviewed papers, based on landrace samples from the Sierra Juárez region of Oaxaca, Mexico, reached seemingly conflicting conclusions: transgenes are present (Quist and Chapela, 2001, Nature 414: 541–543; 2002, Nature 416: 602) or “detectable transgenes” are absent (Ortiz-García et al., 2005, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102: 12338–12343 and 18242). We analyzed these papers using information on Oaxacan maize seed systems and estimates of Ne. We conclude that if Quist and Chapela’s results showing presence are accepted, Ortiz-García et al.’s conclusions of no evidence of transgenes at detectable levels or for their introgression into maize landraces in the Sierra de Juárez of Oaxaca are not scientifically justified. This is because their samples are not representative, and their statistical analysis is inconclusive due to using n instead of Ne. Using estimates of Ne based on Ortiz-García et al.’s n, we estimate that transgenes could be present in maize landraces in the Sierra Juárez region at frequencies of ~1–4%, and are more likely to be present in the 90% of Oaxacan landrace area that is not mountainous. Thus, we have no scientific evidence of maize transgene presence or absence in recent years in Mexico, Oaxaca State, or the Sierra Juárez region.

Resumen

Las consecuencias genéticas, ecológicas y sociales sobre el posible flujo de genes de cultivos transgénicos hacia especies autóctonas y sus relativos silvestres han estado recientemente en discusión. Sin investigaciones costosas sobre los variables que afectan la frecuencia del flujo genético, investigaciones sobre la frecuencia de transgenes en poblaciones de cultivos autóctonas y sus parientes silvestres pueden ser muy útil. Los requerimientos mínimos de investigación incluyen (1) entender las practicas de los agricultores y como los sistemas de semilla afectan las poblaciones de especies autóctonas, (2) muestreo para optimizar (tamaño efectivo/tamaño censo), (3) minimizar la varianza a todos los niveles de muestreo, (4) usar el tamaño efectivo, Ne, para calcular la probabilidad de la frecuencia de transgénicos (usando la distribución binomial). Un ejemplo clave es lo de maíz en México. Dos artículos basados en el muestreo de razas de maíz local (criollo) en la región de la Sierra Juárez de Oaxaca, México dan conclusiones aparentemente contradictorias: hay transgénicos (Quist y Chapela, 2001, Nature 414: 541–543; 2002, Nature 416: 602) o no hay “transgénicos detectables” (Ortiz-García et al., 2005, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102: 12338–12343 y 18242). Nosotros hemos analizado estos artículos usando información de los sistemas de semilla de Oaxaca y cálculos de Ne. Concluimos que si los resultados de Quist y Chapela mostrando la presencia de transgénicos son aceptados, las conclusiones de Ortiz-García et al. de que no existen transgénicos detectables en los maíces de la Sierra Juárez de Oaxaca no se justifican científicamente. Esto se debe a que los tamaños de muestra usados por Ortiz-García no son representativos y su análisis estadístico no es concluyente por que usaron n en lugar de Ne. Usando estimadores de Ne basado en el n de Ortiz-García et al., nosotros estimamos que transgénicos pueden ser presente en las razas de maíz de la región de Sierra Juárez en frecuencias de ~1–4%, además es posible que estén presentes en el 90% del área sembrado con maíz criollo que se encuentra en las zonas no montañosas de Oaxaca. Por lo tanto no hay evidencias científicas de la presencia o ausencia de maíz transgénico en años recientes en México, o en el estado de Oaxaca, o en la región de la Sierra Juárez.