Sin lechugas, ni tomates, ni pepinos. ¿Podríamos sobrevivir sin la investigación en la Mejora Genética vegetal?

Con las nuevas tecnologías y la irremediable aunque muy necesaria mediatización de la ciencia, términos nuevos y no tan nuevos como “transgénesis”, “mutantes”, “hibridación”, “OGM”… están en boca de todos, y en ocasiones pueden causar ciertos sentimientos de aversión o miedo. Esta falta de popularidad puede llegar a representar un problema a la hora de hacer avances en la investigación, y como se suele decir: “Sin ciencia no hay futuro”. Ahora bien, ¿está este rechazo justificado? En este post trataremos de aclarar ciertos conceptos sobre la mejora genética de plantas y el papel potencial que podría tener en el futuro para asegurar el sustento de todas las personas del planeta.

ensalada

Ensalada, por condesign. Vía Pixabay. Dominio Público (CC0)

Parte I: ¿Qué es la Mejora Genética vegetal?

Una definición simple podría ser “la modificación del fenotipo de una planta a través de su genotipo, dirigida a la obtención de caracteres deseados”. El fenotipo no es más que el resultado de una combinación de características genéticas (genotipo) y la influencia del entorno (ambiente) (Nota: podéis ver aquí  algunos conceptos básicos de genética si os hacen falta).

Agricultura en terraza en Ruanda (Distrito Kigoma), por nickfraser. Vía Flickr. Algunos derechos reservados (CC BY SA 2.0)

Agricultura en terraza en Ruanda (Distrito Kigoma), por nickfraser.
Vía Flickr. Algunos derechos reservados (CC BY SA 2.0)

Es decir, mientras que la optimización de las técnicas agrícolas ha tenido como objetivo modificar el fenotipo (los caracteres de las plantas) mejorando el ambiente en el que se desarrollan, la mejora genética pretende incidir directamente sobre los genes de la planta.

Debemos tener en cuenta que el ser humano lleva trasteando con el genoma de las plantas desde los inicios de la agricultura, hace aproximadamente unos 10.000 años. ¿Qué implica esto? Simplemente que no es algo nuevo, esta manipulación genética se ha dado a través de diferentes tipos de técnicas que en los últimos años han pasado de ser “a ojo” a ser estudiadas en laboratorio, como veremos a continuación.

Como hemos dicho, existen muchas formas de mejora genética vegetal, pero para simplificar podemos englobar las más importantes en dos grupos: las técnicas de mejora convencional y la transgénesis.

Mejora genética convencional

Incluye técnicas que llevan bastante tiempo practicándose en agricultura, con el objetivo de modificar la planta hasta que llega a ser sustancialmente diferente de la que procede. Algunas de ellas han adquirido mucha importancia, tanto en el pasado como actualmente.

Comparación entre el teosinte silvestre y el maíz actual, por National Science Foundation. Vía Flickr. Trabajo del gobierno de EEUU.

Comparación entre el teosinte silvestre y el maíz actual,
por National Science Foundation. Vía Flickr. Trabajo del gobierno de EEUU.

Las técnicas más familiares y conocidas son los cruzamientos selectivos y la selección artificial. Son los típicos cruzamientos mendelianos que llevan practicándose desde que aparece la agricultura en el Neolítico. Con los cruzamientos selectivos se consiguen modificar sobre todo caracteres cualitativos, y la selección artificial se suele utilizar para caracteres cuantitativos. Prácticamente todas las plantas cultivadas que tenemos actualmente provienen de procesos de selección de este tipo, aunque merece especial mención el conocido caso del teosinte, el ancestro silvestre del maíz actual, ya que es un ejemplo muy ilustrativo del cambio que puede sufrir una planta si se somete a selección durante muchas generaciones [1].

Hasta mediados del siglo XX, las nuevas variedades vegetales que aparecían por mutación espontánea simplemente se mantenían a través de los tipos de cruzamientos ya descritos. No queremos decir que la selección por cruzamientos haya sido un tipo de mejora vegetal poco importante, en absoluto. Simplemente implica que la mutación espontánea era la única fuente de nueva diversidad genética que el ser humano podía aprovechar. Pero esto cambió con las primeras pruebas realizadas en los años 20 de una nueva técnica, la inducción de mutaciones, mediante agentes mutagénicos o mutágenos [2]. Con ella se busca obtener un fondo de mutaciones que podrán seleccionarse si son de interés, aunque como es de esperar abundan más los casos de mutaciones perjudiciales que beneficiosas. Aun así, actualmente se tienen más de 2.000 variedades de cultivos destinados a alimentación obtenidos por este procedimiento [3].

Se utilizan mutágenos físicos como rayos X, gamma o ultravioleta; o mutágenos químicos (colchicina, NMU, …). Se pueden obtener mutaciones génicas (afectan solo a un gen) o mutaciones cromosómicas (afectan a los cromosomas). De las cromosómicas, las interesantes en mejora vegetal son las que afectan al número de juegos cromosómicos (ploidía), en concreto inducción de autopoliploidía.

Vamos a detenernos un momento para explicar este concepto: Los humanos tenemos dos juegos cromosómicos de 23 cromosomas cada uno. Los gametos de nuestros padres tienen cada uno 23 cromosomas (dotación gamética, n=23), y después de la fecundación originan un individuo con el doble de cromosomas (dotación somática, 2n=46). Es decir, tenemos ploidía 2 (diploidía).

Esquema del proceso de fecundación en humanos, por Adrián López García.

Esquema del proceso de fecundación en humanos, por Adrián López García.

Imaginemos un organismo vegetal diploide, con dotación somática 2n=2X=8 (4 parejas de cromosomas). Con técnicas de inducción de autopoliploidía podemos pasar de diploidía (2X cromosomas) a triplodía (3X=12; 4 tríos de cromosomas), tetraploidía (4X=16; 4 cuartetos de cromosomas)…

Ploidías, por Adrián López García.

Ploidías, por Adrián López García.

¿Por qué es interesante esto? En casos normales, al ocurrir la división celular cada mitad de los cromosomas va a una célula hija. Pero al cambiar la ploidía, sobre todo en casos de ploidía impar, este reparto de cromosomas no va a ser estable ni equitativo. De este modo las células hijas tendrán multitud de aberraciones cromosómicas, y muchas serán inviables. Y esta es la clave de la técnica, dado que podrán generarse plantas estériles, sin semillas en los frutos.

Algunos de los ejemplos de autopoliploidía se dan en la sandía (Citrullus lanatus), de la que se comercializan muchas variedades triploides sin semillas [4], o la manzana (Malus domestica), con variedades triploides como la Gravenstein. Esto no resulta problemático para la reproducción, ya que en la mayor parte de los casos los frutales perennes se propagan asexualmente por injertos.

Otra técnica es la hibridación interespecífica, que consiste en cruzar especies

El tangelo como ejemplo de híbrido cítrico, por Adrián López García.

El tangelo como ejemplo de híbrido
cítrico, por Adrián López García.

diferentes (pero relacionadas, para que el cruzamiento sea compatible) para obtener un híbrido, que podrá ser fértil o estéril, siempre y cuando no represente un problema para su continuidad en el tiempo (esta es otra forma de obtener frutos sin semillas, como veremos a continuación). Hay muchos ejemplos de hibridaciones, como el del plátano (Musa x paradisiaca), del que muchas variedades son resultado de cruces entre las especies Musa acuminata y Musa balbisiana (podéis ver un extenso listado de cultivares de plátano aquí) o el especialmente curioso caso de los cítricos. Actualmente se considera que todos los cítricos proceden de hibridaciones entre las especies Citrus maxima (pampelmusa o pummelo), Citrus reticulata (mandarina) y Citrus medica (citrón). Todas las demás provendrían de hibridaciones entre estas tres, con mayor o menor aporte genético de cada una [5].

Otra técnica relacionada con las dos anteriores es la inducción de alopoliploidía. Un alopoliploide es un poliploide de especies diferentes. Recordemos que un poliploide es un individuo que tiene aumentado el número de juegos cromosómicos (2X a 3X, 4X…). Un híbrido obtenido como anteriormente se ha dicho puede tratarse para obtener un alopoliploide. El ejemplo más claro es el del trigo, cuya historia evolutiva se estudia en cualquier clase de genética en la universidad. La evolución natural del trigo ha seguido un proceso de alopoliploidía muy complejo, y ha sido ampliamente estudiado como modelo evolutivo. El trigo actual (Triticum aestivum) es un hexaploide procedente de hibridaciones entre trigos silvestres di y tetraploides [6].

Transgénesis

Este grupo de técnicas son más modernas, ya que se basan en la biotecnología. Una planta transgénica es una planta que posee un gen ajeno a su genoma incluido en él mediante técnicas de ingeniería genética. Es necesario que este gen esté en todas las células de la planta, pudiendo transmitirse a la descendencia siguiendo las pautas normales de transmisión.

Para obtener una planta transgénica se necesitan dos componentes muy obvios: la planta y el gen que vamos a insertar. El gen estará dentro de una construcción genética que sirve como “vehículo”, un plásmido con forma circular. Para insertar el plásmido dentro de la planta se utilizarán métodos de transformación. Actualmente se utilizan biolística, electroporación y transformación mediada por Agrobacterium. Los dos primeros son métodos de transferencia directa, y se sabrá si las células han sido transformadas con éxito utilizando sistemas de genes reporter y de resistencia a agentes selectivos (antibióticos).

El método de Agrobacterium es el más utilizado, por su mayor fiabilidad y menor coste. Consiste en aprovechar los mecanismos naturales de infección de bacterias del género Agrobacterium, mayoritariamente A. tumefaciens y A. rhizogenes. En el proceso de infección natural, esta bacteria inserta una parte de su genoma (la región de T-DNA de un plásmido presente en ellas de forma natural, el plásmido Ti) en el genoma de la planta, para crear un medio apropiado para su supervivencia y crecimiento utilizando los recursos de la célula vegetal. Con este proceso se han ideado sistemas de transformación que utilizan plásmidos Ti modificados o sistemas de dos plásmidos para introducir nuestra construcción genética en el genoma de la planta [7].

Una vez se ha transformado la planta, se tiene que probar su seguridad. Para ello, primero se realizan pruebas para ver cómo ha salido la inserción del transgén. Se controla cómo ha ocurrido la integración del gen en el genoma (nº de loci, nº de copias y estado de las copias) y la expresión del gen a nivel de transcripción (si es suficiente, en qué lugares y si hay o no silenciamiento postranscripcional) y de traducción (si es suficiente).

Posteriormente se hace una Evaluación de Riesgo Ambiental (ERA) en siete áreas específicas de preocupación [8]:

  1. Persistencia e invasividad: comportamiento de la planta al introducirla en un medio, tendencia a invadir el ambiente por dispersión de semillas, emisión de polen o cruzamiento con otras variedades cultivadas.
  2. Transferencia de genes a microorganismos: se estudia la persistencia del DNA en el suelo y el nivel de transferencia horizontal.
  3. Efectos sobre procesos biogeoquímicos: se estudia la persistencia de productos específicos generados por la planta transgénica, que teóricamente podrían perdurar mucho tiempo y modificar las poblaciones de microorganismos u otros organismos implicados en procesos biogeoquímicos, así como de otras plantas que crezcan sobre el mismo terreno posteriormente. Se han visto casos positivos y negativos de modificación de poblaciones de suelo, aunque los casos positivos solo han sido temporales [9, 10].
  4. Interacción con organismos blanco: es importante analizar la aparición de resistencias. Se puede contrarrestar con la técnica del refugio o mezclando diferentes proteínas biocidas.
  5. Interacción con organismos no blanco: importante en caso de organismos clave en el ecosistema o en peligro de extinción.
  6. Impacto del cultivo y las técnicas agrícolas: fundamentalmente se analiza el impacto de uso de herbicidas y la posible pérdida de variabilidad genética.
  7. Efectos sobre salud humana y animal: sobre todo en materia de resistencia a antibióticos, alergias y digestibilidad o problemas nutritivos.

 

El arroz dorado, un transgénico con alto contenido en beta-carotenos en su parte comestible. Por IRRI, Vía Wikimedia Commons. Algunos derechos reservados (CC BY 2.0)

El arroz dorado, un transgénico con alto contenido
en beta-carotenos en su parte comestible.
Por IRRI, Vía Wikimedia Commons.
Algunos derechos reservados (CC BY 2.0)

Al hacer una solicitud para aceptar una variedad transgénica se debe indicar el uso que va a tener, ya que en función del uso variarán las pruebas de bioseguridad y la aceptación de la variedad. Por otra parte, la autorización no es permanente, sino transitoria. Durante ese período de autorización se estudia el ajuste de la variedad a su objetivo, y si no se ajusta se puede cortar la autorización. Después de 10 años se debe pedir una nueva autorización, y puede denegarse [11]. Se realizará como medida por posibles cambios en la ley o introducción de nuevas evaluaciones.

Parte II: La Revolución Verde y la Mejora Genética vegetal

En este contexto de mejora vegetal, un suceso esencial fue la llamada Revolución Verde. Este evento agronómico, iniciado por Norman Borlaug (premio Nobel de la Paz), se basaba en la obtención de variedades mejoradas de tres de las especies más utilizadas por el ser humano: el arroz, el trigo y el maíz. Estas mejoras permitieron entre los años 60 y 70 aumentar notablemente la productividad agrícola, principalmente en el continente asiático y en Latinoamérica.

Las nuevas variedades de trigo y otros granos desempeñaron un papel decisivo en la revolución verde. Vía Wikimedia Commons. Dominio Público (CC0)

Las nuevas variedades de trigo y otros granos
desempeñaron un papel decisivo en la revolución verde.
Vía Wikimedia Commons.
Dominio Público (CC0)

Como el propio Borlaug recordaba, hasta finales del siglo XIX la agricultura se basaba solamente en el trabajo de los granjeros, y la producción aumentaba cuanta más tierra se dedicaba al cultivo. La Revolución Verde supuso el aumento de la productividad gracias a dos aspectos principales:

  • Las aplicaciones de la Mejora Genética clásica, mediante la aplicación de las leyes de Mendel para reforzar la heterosis y la intensificación de los cruzamientos entre individuos de interés.
  • Las nuevas prácticas agrícolas a través del aumento de espacio destinado al cultivo, el incremento en la cantidad de agua utilizada y la cantidad y tipo de fertilizantes utilizados.

La Revolución Verde fue en buena parte la responsable de que la producción de grano se incrementara anualmente una media del 2,1% entre 1950 y 1990, lo que supuso casi triplicar las cosechas. El impacto de las nuevas variedades mejoradas fue tal que algunos países, como la India, Pakistán o China, pasaron de ser importadores a exportadores.

¿Podemos mantener este modelo de producción actualmente?

La Revolución Verde supuso un fuerte impulso para la producción agrícola. ¿Se podría entonces recurrir a este modelo considerando las circunstancias actuales? ¿Hay alternativas que permitan un resultado similar?

Para empezar, un reciente informe publicado por la Unesco (acceso a la nota de prensa) indica

Campo de trigo irrigado. Vía Wikimedia Commons. Dominio Público (CC0)

Campo de trigo irrigado.
Vía Wikimedia Commons.
Dominio Público (CC0)

que habrá un déficit de agua del 40% en el año 2030 debido, en parte, a la mala gestión de este recurso [12]. Los datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) indican que el sector agrícola es el que mayor cantidad de agua consume, y dado el crecimiento masivo de la población, dicho sector se verá obligado a consumir más agua. Además, a este incremento se le suma la mala gestión de las aguas de los regadíos, las cuales muchas de ellas están contaminadas por la presencia de fertilizantes, y acaban llegando hasta nosotros.

Por otro lado, el informe How to Feed the world in 2050 publicado por la FAO, habla de un aumento de la población para el año 2050 de un 34% con respecto a la actual, lo que supone una cantidad aproximada de 9.000 millones de personas en el mundo. Según la FAO, la producción agrícola mundial debería aumentar aproximadamente un 70% para poder alimentar a toda esta población, y sería necesario incrementar las inversiones en agricultura un 50%.

Paralelamente, las fuentes naturales de muchos fertilizantes, como el caso del fosfato, un macronutriente esencial para que la planta pueda vivir, son limitadas y están empezando a agotarse, y actualmente no hay otra fuente alternativa.

Dada esta situación global, se hace inviable mantener el sistema aplicado por la Revolución Verde (grandes cantidades de agua, espacio, y suelo). Hay que seguir aumentando la productividad, pero a través de otros medios, salvaguardando la viabilidad ecológica de los ecosistemas agrarios y silvestres. La innovación tecnológica será clave en esta tarea, ya que permitirá desarrollar una segunda Revolución Verde, entendiendo como tal la aplicación de nuevas maneras de aprovechar el potencial de los genomas vegetales (y de otros organismos) para aumentar la producción de alimentos sin dañar el ambiente.

En este sentido, la biotecnología y la ingeniería genética tienen un papel clave en la obtención variedades de plantas más eficientes a través de la manipulación de su genoma. Estas investigaciones son ya son una realidad. Existen variedades de alto rendimiento (lo que permite un aumento de la productividad de forma directa sin incrementar los recursos de espacio o fertilizantes invertidos en el cultivo), resistentes a estrés abiótico (sequías y temperaturas extremas, que permite su cultivo en muchas partes del mundo), y resistentes a plagas o herbicidas (lo que permite una reducción en el uso de agroquímicos). Estas variedades indican ya el inicio de esta “Segunda Revolución Verde”, manteniendo o aumentando la productividad de un forma sostenible.

Por último, además de su aplicación para la obtención de variedades mejoradas en la agricultura, las plantas también tienen otras aplicaciones con gran potencial. Entre ellas están la obtención de vacunas comestibles (como las patatas que expresan el antígeno de superficie del virus de la Hepatitis B), la fitorremediación para descontaminación de suelos o las biofactorías, que se basan en el uso de plantas como productoras de enzimas de interés industrial.

En definitiva, podemos concluir que se ha llegado a un punto en el que aplicar más recursos para potenciar la productividad de forma externa (es decir, modificando el fenotipo a través de la modificación del ambiente) no da mejores resultados y resulta pernicioso para el entorno. De este modo, necesitamos cambiar de estrategia y aumentar la productividad mediante la modificación directa de la planta (modificar el fenotipo a través del genotipo). Tenemos muchas herramientas tecnológicas estables y otras en desarrollo, y potenciar estos avances podría ser decisivo para alcanzar un nuevo modelo agrícola sostenible y de alto rendimiento.

Este artículo ha sido posible gracias a la participación del también autor del mismo, Adrián López García, y a la colaboración de La Biothèque, donde fue inicialmente publicado.

Bibliografía

[1] University of Utah. The evolution of corn. Learn.Genetics. Consultado 18/03/2016.
[2a] Stadler, L.J. 1928. Genetic effects of X rays in maize. Academy of Sciences of the USA. 14: 69-75
[2b] Stadler, L.J. 1928. Mutations in barley induced by X-rays and radium. Science. 68: 186-187
[3] FAO/IAEA Database of Mutant Variety and Genetic Stocks (http://mvgs.iaea.org, 2016)
[4] http://cuke.hort.ncsu.edu/cucurbit/wmelon/seedless.html
[5] Velasco, R.; Licciardello, C., 2014. A genealogy of the citrus family. Nature Biotechnology, 32: 640-642
[6] Nevo, E.; Korol, A. B.; Beiles, A.; Tzion, F., 2002. Evolution of Wild Emmer and Wheat Improvement. Springer, Heidelberg, pp 1-364
[7] Gelvin, S. B., 2003. Agrobacterium-Mediated Plant Transformation: the Biology behind the
“Gene-Jockeying” Tool. Microbiol Mol Biol Rev., 67(1): 16–37
[8] EFSA Panel on Genetically Modified Organisms (GMO). Guidance on the environmental risk assessment of genetically modified plants. http://www.efsa.europa.eu/en/efsajournal/pub/1879
[9] Sessitsch, A. et al., 2003. Diversity and community structure of culturable Bacillus spp. populations in the rhizospheres of transgenic potatoes expressing the lytic peptide cecropin B. Appl Soil Ecol, 22: 149-158
[10] Dunfield, K. E.; Germida, J. J., 2003. Seasonal Changes in the Rhizosphere Microbial Communities Associated with Field-Grown Genetically Modified Canola (Brassica napus) Appl Environ Microbiol, 69: 7310-7318
[11] Regulation (EC) No 1829/2003 of the European Parliament and of the Council of 22 September 2003 on genetically modified food and feed
[12] WWAP (United Nations World Water Assessment Programme), 2015. The United Nations World Water Development Report 2015: Water for a Sustainable World. Paris, UNESCO

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TerpSícore

Bióloga (como Ana Obregón o Barbara McClintock, como veáis) por la UAM y máster en Genética y Biología celular, a menudo la vena friki-biológica se apodera de mí y traslado con metáforas la vida cotidiana a eventos biológicos. He ido aprendiendo que, si quien no llora no mama, quien no pregunta pues tampoco mama.

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