Plant Breeding: El arte de cambiar según las características deseadas

La mejora vegetal abarca toda actividad realizada para mejorar la disposición genética de la planta, obteniendo así mayores beneficios para la humanidad.

1. INTRODUCCIÓN

El ser humano habita en un planeta limitado por recursos esenciales y limitados como el agua y el suelo, necesarios para la obtención de alimentos, sea cual sea el origen de éstos. En los últimos años, la población mundial ha experimentado un aumento exponencial y como consecuencia, la cantidad de alimentos necesaria para abastecer a la humanidad se ha incrementado drásticamente.

A lo largo de la historia, el agricultor ha cultivado la tierra para dotarse de alimentos de origen vegetal, aumentando en gran medida la superficie cultivada del planeta. Pero además de incrementar la superficie, también se logró ‘’domesticar’’ determinadas especies en aras de aumentar la productividad, es decir, el cociente entre la producción y los factores productivos. De este modo, surge el concepto de mejora vegetal o mejora genética, término con diversas acepciones, pero que en general se puede definir como:

‘’El arte y la ciencia de cambiar la genética de plantas para el beneficio de la humanidad’’ (Sleper and Poehlman, 1995).

Por consiguiente, la mejora vegetal abarca toda actividad realizada para mejorar la disposición genética de la planta, obteniendo así mayores beneficios. El presente artículo tiene por finalidad realizar una minuciosa descripción de la influencia de la mejora vegetal a lo largo de la historia de la agricultura. Al mismo tiempo se exponen los retos actuales a los que se enfrenta esta rama del estudio.

2. HISTORIA DE LA MEJORA VEGETAL

El inicio de la mejora vegetal se sitúa hace aproximadamente 10000-12000 años, cuando el ser humano comenzó a manipular diversas especies vegetales y se convirtió en sedentario. Es decir, la mejora nace en el momento en el que surge el cambio de silvestre o salvaje a domesticado. Las mutaciones en el genoma de los seres vivos se producen de manera natural pero en el caso de la mejora vegetal, esta evolución mutagénica se produce de manera artificial de la mano del hombre.

Se cree que los primeros cultivos domesticados fueron los cereales, a los que se le eliminaron atributos tan negativos como la latencia de las semillas y la dehiscencia. Más adelante, las civilizaciones se centraron en la domesticación de determinados cultivos. De este modo, surgieron los imperios del arroz en China, del maíz en México y de la patata en Perú.

Todos estos progresos fueron consecuencia directa de lo que hoy se conoce en mejora como selección masal, basada en la selección intrapoblacional de los individuos de acuerdo a su fenotipo. Hasta el siglo XVIII no se desarrollaron los experimentos mediante cruzamientos artificiales, los cuales culminaron con la publicación de las Leyes de Mendel (1865-1866).

Mendel es considerado el fundador de la genética moderna, ya que fijó las características presenten en los cruzamientos, usando para ello líneas puras (genes formados por dos alelos iguales, es decir, homocigotos que pueden ser dominantes o recesivos). Ya en el año 1878 se realizan los primeros cruzamientos entre trigos harineros y duros. A finales del siglo XIX se publicó el primer libro sobre mejora de plantas bajo el nombre de Plant Breeding, escrito por el estadounidense L.H. Bailey.

En torno a 1900, surgió el redescubrimiento de las Leyes de Mendel por parte de Tschremak, Correus y Vries, en el cual se corrigieron determinados aspectos de la herencia de las especies. Tras este redescubrimiento, surgen dos nuevas técnicas como la poliploidía o manipulación cromosómica y la mutagénesis, imitando por vez primera a la naturaleza mediante la creación de nuevas especies y genes.

En la segunda mitad del siglo XX nace la Revolución Verde con el cometido de aumentar los rendimientos de los tres cereales clave (trigo, arroz y maíz) para así abastecer a los países subdesarrollados. Los últimos avances han sido desarrollados gracias a la biotecnología, la cual ha permitido la transferencia de genes concretos y la propagación asexual mediante técnicas in vitro que permite obtener individuos genéticamente iguales.

3. GRANDES LOGROS

La Revolución Verde trajo consigo una serie de experimentos y avances en los cultivos de trigo, arroz y maíz, los cuales obtuvieron resultados esperanzadores para la alimentación a nivel global. A continuación se describen los aspectos relacionados con el avance en cada uno de estos cultivos:

3.1. Maíz

Existen dos grandes variedades de maíz transgénicas, Bt y RR. En cuanto al maíz Bt, su principal característica es la resistencia frente a determinadas plagas como el barrenador del tallo (Diatraea saccharalis) y el taladro del maíz (Ostrinia nubilalis y especies de Sesamia). La resistencia se debe gracias a una proteína tóxica para polillas y mariposas, denominada Cry, que segrega la planta. El gen que produce la toxina se encontró en Bacillus thuringiensis, una bacteria con gran potencial agronómico. Este gen se incorporó en plantas de maíz. Al expresarse segrega la toxina que destroza las células epiteliales del intestino, provocando la muerte del insecto.

En zonas donde la incidencia de estas plagas es elevada, la mejora en los rendimientos es notable. Areal et al., 2013 muestran que a nivel mundial el maíz Bt alcanza un rendimiento medio de 0,55 t/ha, lo cual es superior al del maíz convencional. De hecho, a nivel europeo, se estima que los avances en mejora genética vegetal han logrado alimentar a 160 millones de personas en el periodo comprendido entre 2000-2015. En cuanto a superficie, estos avances han evitado el uso de 19 millones de hectáreas (las cuales se necesitarían para igualar la producción).

Un inconveniente que presentan las grandes explotaciones de maíz es la cantidad de malas hierbas que se encuentran alrededor del cultivo, como por ejemplo el sorgo de Alepo. El empleo de determinados herbicidas resulta muy eficaz para eliminar estas malas hierbas pero también causa estragos en cultivo de maíz. Como solución a esta problemática, se han patentado variedades de maíz resistentes a herbicidas como el Glifosato o el Glufosinato. Ambos herbicidas han sido y son muy cuestionados por las autoridades, organismos y asociaciones de diferentes países debido a que se les relaciona con el desarrollo de graves enfermedades en humanos.

El glifosato es un herbicida de amplio espectro que inhibe la proteína EPSPS en las partes verdes de la planta. Esta inhibición bloquea la síntesis de determinados aminoácidos aromáticos esenciales para el crecimiento de la planta. Las plantas de maíz Roundup Ready (maíz RR) segregan una proteína EPSPS capaz de resistir al glifosato, por lo que sobreviven a su acción a diferencia de las malas hierbas que las rodean.

En 1997 se comercializó en Estados Unidos por primera vez un maíz tolerante a herbicidas (RR), mientras que su sucesor, el maíz Roundup Ready NK603, vio la luz en el año 2001. De acuerdo con los análisis de nutrientes clave, el maíz NK603 resulta ser tan nutritivo como el maíz convencional. Con respecto a los beneficios económicos, se estima que los costes en EE.UU. se reducen 24,7 dólares por hectárea. También se considera que el uso de maíz RR reduce tanto la cantidad de herbicida empleado como el número de aplicaciones necesarias.

3.2. Arroz dorado

En 1991 dio comienzo el proyecto para el desarrollo del arroz dorado por parte de los biólogos alemanes Ingo Potrykus y Meter Beyer. Este proyecto tuvo como objetivo solventar los graves problemas de nutrición relacionados con la falta de vitamina A presente en los países en vías de desarrollo.

El beta caroteno es un precursor de la vitamina A, por lo que la biosíntesis de este pigmento supuso un gran avance para el objetivo fijado. Se llegó a la conclusión de que el beta caroteno es sintetizado por la acción de dos enzimas, PSY y CRT1, en el endospermo del arroz.

En los primeros experimentos, los resultados denotaron un mayor contenido en provitamina, pero este contenido no era capaz de cubrir los requerimientos diarios en la dieta de un niño. Por esta razón, los siguientes ensayos se centraron en la optimización de la actividad enzimática de PSY y CRT1. Gracias a la obtención de genes homólogos procedentes de parientes cercanos, se logró obtener 20 veces más de pro-vitamina A.

Cabe resaltar que todos estos avances tuvieron una finalidad social, renunciándose a la patente, y donándose estas variedades para uso público. En Filipinas se empezó a cultivar en el año 2011.

3.3. Trigo enano

En la antigüedad se consumían variedades de trigo bastante más vigorosas que las actuales, como por ejemplo los cultivares Emmer, Einkorn y Khorasan. El trigo enano o dwarf wheat tiene su origen en los años 60, fruto de los ensayos de mejora dirigidos por el premio nobel de la paz Norman Borlaug, apodado popularmente como el padre de la Revolución Verde.

El desarrollo del trigo enano se consiguió por medio de genes RHt, los cuales actúan sobre la síntesis de ácido giberélico. Esta hormona promueve el alargamiento de las células vegetales, por lo que su parcial inhibición tiene un efecto directo en el tamaño de la planta. Estos genes enanos se introdujeron en los cultivares semi-enanos ‘Norin 10’ provenientes de Japón.

Se trata de un trigo con tallo más corto pero capaz de producir mayores cosechas que las de variedades tradicionales y todo ello, con un menor coste de producción.

Se ha reportado un inconveniente en cuanto al nivel de nutrientes, considerando que las variedades enanas han supuesto la pérdida de los mismos. En el estudio conocido como Broadbalk, se llegó a la conclusión de que las concentraciones de zinc, cobre, hierro y magnesio fueron aproximadamente un 20% menores entre los años 1968 y 2005, si se comparan con las correspondientes al intervalo entre 1845 y 1967 (FAM MS et al., 2008).

Otro gran problema que se presenta en la actualidad es el elevado número de personas celíacas que existen (se estima que el 7% de la población mundial). Para hacer frente a ello, el CSIC ha desarrollado una harina de trigo con un bajo contenido en gliadinas, las proteínas causantes de la intolerancia al gluten.

3.4. Otros cultivos

Expuestos los avances más importantes en los tres cultivos en los que se centró la Revolución Verde, resulta conveniente mencionar un cultivo transgénico de gran relevancia, la soja RR o soja 40-3-2. La soja genéticamente modificada ocupa en la actualidad el 52% de la superficie mundial de transgénicos.

Al igual que con el maíz, se logró desarrollar un cultivo resistente a herbicidas tales como el glifosato. Ello fue posible gracias a la inserción de un gen de origen bacteriano (Agrobacterium sp.) en el genoma de la planta. Como dato a tener en cuenta, la proporción de soja GM con respecto a la superficie total cultivada de soja fue del 94% en los EE.UU. (2011) y del 97% en Argentina (2009).

En Argentina se ha desarrollado una variedad de soja GM resistente además a insectos lepidópteros, gracias a la secreción de una toxina. También se están llevando a cabo ensayos para la obtención de aceite de soja para freír sin grasas trans.

Con respecto a los avances llevados a cabo en cultivos frutales, destacar el desarrollo de la papaya transgénica. La investigación giró en torno al brote del virus PRSV en Hawái, el cual destruyó plantaciones enteras de papaya por el año 1992.

Investigadores de Hawái junto con científicos de la Universidad de Cornell perfeccionaron dos variedades de papaya resistentes al virus. Las variedades se comercializan en las islas hawaianas desde 1998, bajo el nombre de SundUp y Rainbow, abarcando en la actualidad más del 90% de la producción. La papaya fue la primera fruta genéticamente modificada en llegar al mercado.

4. OGM: MARCO LEGAL

El marco legal en el que se desenvuelven los OGM suele ir ligado a la opinión pública y a las posturas políticas de cada país. Son numerosas las asociaciones internacionales, como Greenpeace, que se han pronunciado para criticar abiertamente el uso de transgénicos en humanos. Como se expuso anteriormente, los cultivos transgénicos tuvieron su origen en las deficiencias alimentarias del tercer mundo; aunque a pesar de ello, un país tan desarrollado como Estados Unidos contaba en 2015 con 70,9 millones de hectáreas cultivadas con OGM, ocupando la primera plaza a nivel mundial. Desde una perspectiva global, el crecimiento de la superficie cultivada con plantas transgénicas desde 1996 ha sido exponencial (en 1996 existían 2,8 millones de ha, en 1997 ascendieron a 11 millones y en 1998 se alcanzaron los 27,8 millones).

EE.UU. presenta una de las legislaciones más flexibles en el uso de OGM respecto a los demás países desarrollados. En 2016 se aprobó un polémico proyecto de ley sobre el etiquetado de los organismos genéticamente modificados. El etiquetado dispone de: 1) el símbolo del USDA, el cual implica la presencia de OMG en Estados Unidos, 2) un texto simple y 3) un código QR que dirige al consumidor a la información detallada del ingrediente.

Dentro del espacio europeo existe cierta ambigüedad en cuanto a las posturas adoptadas por los diferentes países integrantes. A modo de ejemplo, se encuentra el caso del maíz genéticamente modificado MON810, que es cultivado en tan solo cinco países de la U.E. (España, Portugal, Eslovaquia, Rumanía y República Checa).

Para el caso del maíz Bt en Europa, la legislación vigente obliga a realizar la siembra de un refugio en aquellas parcelas que tengan más de 5 hectáreas. La finalidad de este refugio es evitar que la pequeña proporción de orugas que sobreviven se reproduzca entre sí. De ese modo, los insectos resistentes se aparean con los no resistentes presentes en el refugio. El maíz convencional sembrado en el refugio debe suponer, al menos, el 20% de la explotación sembrada con maíz transgénico.

En 2014, se modificó el reglamento relacionado con el cultivo de transgénicos en el continente europeo y los países obtuvieron una cierta autonomía para acoger o no los distintos OGM en su territorio. A partir de esa modificación, los Estados deben presentar los motivos pertinentes (ambientales, agrícolas, socioeconómicos, etc.) para su prohibición ante la Comisión Europea. Además, el etiquetado de los productos debe realizarse siempre y cuando el alimento presente un contenido superior al 0,9% en OGM.

Por otro lado, Europa necesita importar grandes cantidades de soja GM para satisfacer las necesidades de la ganadería, por lo que existe un gran debate en torno a su adopción o no. España se ha constituido como un país pionero a nivel europeo en cultivo de transgénicos y representa en torno al 91% de la superficie cultivada con maíz MON810. Según el MAGRAMA, en 2014 se cultivaron 131537,67 hectáreas con OGM en España.

Para el caso de México, el cultivo de transgénicos se reguló gracias a la aprobación en 2005 de la Ley de Bioseguridad de Organismos Genéticamente Modificados (LBOGM). Tres años más tarde, con la publicación del Reglamento LBOGM se establecieron los procedimientos a seguir para la solicitud de los correspondientes permisos. México cuenta con un particular sistema de introducción para los organismos modificados genéticamente. Los trámites llevados a cabo para la adopción de estos cultivos tienen que ser verificados por los organismos gubernamentales SAGARPA y SEMARNAT. Dicho procedimiento se describe a continuación:

– Liberación experimental al ambiente: Es la primera prueba realizada con el OGM y se realiza a campo abierto en un sitio destinado específicamente para ello. Debe cumplir unos requisitos en cuanto al método de aislamiento o contención en aras de evitar la interacción con otras plantas.
– Liberación al ambiente en programa piloto: En este siguiente paso, se abarca una mayor superficie de cultivo para así poder valorar la viabilidad económica del mismo.
– Liberación comercial al ambiente: Se trata de la adopción final del cultivo GM tras atravesar el programa piloto. En esta fase se realiza un seguimiento de la utilización de los avances empleados.

5. ÚLTIMOS AVANCES Y EL FUTURO DE LA BIOTECNOLOGÍA

Si los objetivos fijados en la Revolución Verde se resumen en erradicar el hambre mediante el aumento de la productividad de los cultivos, en la actualidad existen además diversos factores que la ingeniería genética podría optimizar. Por tanto, ¿Qué se le exige a un OGM? Hoy día las líneas de investigación trabajan para aportar a la planta una mayor resistencia frente a plagas y enfermedades, así como tolerancia a condiciones de sequía y/o salinidad. Por otro lado, aspectos relacionados con el fruto como el tamaño, peso o vida de Anaquel son también a tener en cuenta a la hora de seleccionar una variedad u otra.

El extraordinario desarrollo tecnológico llevado a cabo en el campo de la mejora vegetal (técnica de la PCR, secuenciadores automatizados, programas de mutagénesis, enzimas de restricción, etc.) ha permitido convertir retos inalcanzables hace unos años en prácticas viables en la actualidad. La influencia de la legalidad vigente sobre seguridad alimentaria supone muchas veces una barrera infranqueable para la biotecnología aplicada a la mejora vegetal, dado que los proyectos no encuentran la viabilidad necesaria para desarrollarse.

Las técnicas usadas en los últimos años para la obtención de material vegetal transgénico han sido la biolística y, en mayor parte, el uso Agrobacterium sp. La biolística consiste en la transferencia directa de genes en una célula, con objeto de creae organismos transgénicos. Estos dos métodos presentan un gran inconveniente en la precisión y eficacia del proceso de transgénesis.

Las nuevas técnicas empleadas en biotecnología se basan en los SDN (Site Directed Nucleases), induciendo la rotura de la doble hélice de ADN en un lugar determinado del genoma:

a) Manejo de las nucleasas con dedos de zinc (ZFN).
b) Empleo de nucleasas efectoras similares a los activadores de la transcripción (TALENs).
c) Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas (CRISPR).

Los ZFN son enzimas de restricción artificiales sintetizadas a partir de la fusión de un dominio de ruptura del ADN con el dominio dedo de zinc de unión al ADN. Las proteínas Zinc Finger se encargan de estabilizar la estructura de las proteínas y de interactuar con el ADN y el ARN. En los años 90 se consiguieron las Zinc Finger Nuclease, obteniéndose un instrumento capaz de reconocer lugares específicos del ADN y cortar la porción indeseada. Las ZFN se emplearon para introducir exitosamente la tolerancia a herbicida. Sin embargo, también presenta una serie de inconvenientes relacionados con la inocuidad del proceso debido al alto poder inmunológico y a la producción de efectos secundarios.

Posteriormente, se hizo popular el uso de la tecnología TALENs o Transcription Activator-Like Effector Nucleases, la cual surgió de la fusión entre una nucleasa y un activador de la transcripción (TAL). Este activador no permite a la nucleasa cortar en cualquier zona sino que la dirige hacia lugares específicos del ADN de la planta. Los TALEN se obtuvieron de proteínas ligadas al ADN en bacterias del género Xanthomonas. Una de las aplicaciones más exitosas vinculadas a esta tecnología es la resistencia generada en el trigo hacia el mildiu o moho blanco, pero su empleo está restringido en ocasiones debido a su elevado tamaño.

Dentro de las SDN, la técnica de CRISPR/Cas está llamada a ser el mayor descubrimiento biotecnológico del siglo. Sus siglas hacen referencia a las Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas. Se trata del sistema inmune que poseen las bacterias, el cual confiere resistencia a determinados agentes externos como plásmidos y fagos. Los espaciadores de los CRISPR leen secuencias específicas y sirven para orientar a las nucleasas Cas, que cortan elementos génicos externos. Gracias a esta técnica, se puede cortar cualquier molécula de ADN de una manera controlada.

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