La humanidad necesita la mejora genética

La mejora genética es el proceso responsable de modificar o seleccionar los organismos animales o vegetales para que, o bien sean resistentes, o bien toleren diferentes estreses de tipo abiótico o biótico, o para incrementar su productividad de  forma controlada por el ser humano, o para hacer que adquieran propiedades de otros organismos. Esto se hace tanto por su interés económico como por el interés de los recursos que proporciona dicho organismo. Para ello es importante conocer la  diversidad de los organismos a mejorar y sus diferentes propiedades.

La mejora vegetal tiene varias estrategias que se dividen en dos tipos, de los  cuales nos centraremos únicamente en la selección artificial dirigida por el hombre (* no profundizaremos en estos apartado):

1. Selección Natural*
2. Selección dirigida por el hombre:
   1. Domesticación*.
   2. Selección Artificial (Selective Breeding)

La selección artificial 

Es la selección de los fenotipos de las especies cultivables a través de sus caracteres  heredables, incrementando la frecuencia de una serie de caracteres deseables  (selección positiva), o disminuyendo la frecuencia de los indeseables (selección  negativa).

Hay una serie de conceptos que tienen relevancia en la mejora genética:

• Heterosis (Vigor híbrido): La ventaja del heterocigoto está en que éste puede tener la mayor fortaleza de ambos parentales. En la actualidad hay  un problema por el uso de especies endogámicas o clones, lo que hace que las  especies sean más débiles ante cambios repentinos en los estreses ambientales. Por ello se trata de buscar variedades con cierta heterogeneidad para recuperar parte del  vigor híbrido del cultivar en cuestión.
• Variabilidad genética: es la variedad en el material genético de una especie, es  decir varios alelos que codifican para ese carácter, para que la selección natural pueda  actuar sobre un carácter.

Métodos de selección artificial de plantas:

1. Métodos clásicos basados en las leyes de la herencia Mendeliana*
2. Mejora de Plantas
   1. Alógamas
   2. Autógamas.
3. Métodos de Cultivo in vitro 
4. Genética Molecular.

Mejora de plantas alógamas

Son plantas de características variadas, que pueden ser hermafroditas, monoicas o dioicas. Para conseguir variabilidad genética las plantas tienen sistemas para evitar la  autofecundación, por ejemplo una de ellas es separar los sexos en flores diferentes. Si están en diferentes plantas, es dioica, y si están en la misma planta, ésta es monoica, además pueden madurar los estambres y los pistilos en tiempos diferentes. Si los dos sexos se encuentran en la misma flor (flores hermafroditas), para  evitar la autofecundación, maduran a distintos tiempos ambos órganos sexuales,  además pistilos y estambres pueden ser de diferente tamaño. Otra forma de evitarlo  son los sistemas de autocompatibilidad S, un locus multialélico donde existe dominancia total o parcial. Si se les fuerza a la autogamia en muchos casos se obtienen problemas por endogamia, y no se produce un aumento de vigor, entonces la  solución es buscar la selección y reproducción de líneas puras u homocigóticas, de forma que genes favorables puedan seleccionarse y eso se realiza mediante: cruzamientos entre plantas hermanas que tengan mejor aptitud en las combinaciones, u originando variedades híbridas o sintéticas. Se trata de obtener un alto grado de  heterocigosis, para seleccionar los genes favorables, aumentando su frecuencia o disminuyendo la frecuencia de genes  desfavorables.

Hay varias técnicas de selección:

1. Selección masal (Bulk method): seleccionar los individuos que fenotípicamente sean más aptos o  que muestren los caracteres más  deseados, obtener sus semillas,  mezclarlas y sembrar en lote. Se selecciona en cada generación las plantas con dichos caracteres fácilmente observables, y sus semillas vuelven a formar la generación siguiente para obtener mayor número de plantas y fijar esos caracteres deseados.
   
   

   Esquema de selección masal, donde se realizan multiplicaciones comerciales anuales, y se verifica la superioridad de esta con las originales en cada ciclo. Esquema de Sánchez-Monge (1974).

2. Selección de líneas consanguíneas (endogámicas, homocigóticas, puras), y  obtención de heterosis: A través de la autofecundación forzada (y aislada entre  líneas) de plantas alógamas por varias generaciones se puede obtener un patrón de  homocigosis suficiente. Esto se puede utilizar por cruzamientos de distintas líneas  consanguíneas entre sí para obtener heterocigosis que mejore el vigor y la  productividad, que son híbridos superiores a los originales. Si se realiza cruzamiento  entre variedades cercanas de plantas alógamas, se obtienen variedades sintéticas, y  como son resultado de una mezcla de genotipos, está sujeta a cambios de presión de  selección. También se utiliza la técnica de policruzamiento (poly-cross) para que a  través de una colección de líneas clonales obtenidas por autofecundaciones, formen la  nueva variedad sintética a través de policruzamientos.

Mejora de plantas autógamas

Son plantas de que se reproducen sexualmente por autofecundación (autogamia): arroz, cebada, trigo, avena, algodón, sorgo, tomate,  tabaco, frijol, etc. Esto puede controlarse por mecanismos de fecundación temprana con la flor cerrada, evitando la fecundación de polen externo. Este proceso se conoce como cleistogamia. Pese a ser autógamas, siempre presentan un bajo porcentaje de alogamia, sobre todo dependiendo del genotipo y del clima. La mejora de autógamas se realiza mediante diferentes métodos:

1. Selección en poblaciones o variedades autógamas heterogéneas: las plantas  autógamas en una población son casi enteramente homocigotas y en muy baja  proporción heterocigotas, debido a la autofecundación. Esto ocurre con las  variedades autóctonas, que son una mezcla de genotipos homocigotos bien  adaptados a su entorno o área local. Generalmente no son más productivas que las  plantas mejoradas, pero son una buena fuente de genes favorables.
2. Selección masal: Al igual que en la mejora de variedades alógamas, se trata de  seleccionar los caracteres favorables de las variedades autóctonas, manteniendo  las características de la variedad original pero mejorando su producción.
3. Fuentes de variabilidad: son las mutaciones, las hibridaciones y la  recombinación. La tasa de mutación es muy baja, pero suficiente como para  generar variabilidad en las plantas autógamas. Las hibridaciones espontáneas y la  recombinación inducen ese bajo porcentaje de alogamia.
4. Hibridación y selección de pedigree: hibridación de variedades de plantas  autógamas para producir variedades híbridas con alto vigor. Se utilizan  procedimientos de emasculación (corte de los estambres) y polinización dirigida  (polinización manual). A diferencia del método masal, se hace una selección de  pedigree, es decir, no se recogen las semillas de toda la descendencia sino sólo de aquellas que presentan el fenotipo deseado, aunque el usar un método no es  excluyente de utilizar el otro combinado. Esto se llevó a cabo a principios de 1900  para seleccionar variedades de trigo más productivas y que resistan patógenos  como la roya, y se obtuvieron hasta 12 variedades que se siguen comercializando  hoy día.
5. Método de retrocruzamiento: Es un método muy utilizado por los mejoradores  o “plant breeders”, debido a que, pese a tener ciertas limitaciones, es el único  proceso que otorga resultados predecibles y repetibles, y permite transferir  caracteres altamente heredables. Para este método es necesario disponer de una  variedad recurrente que deba de ser mejorable, una o varias variedades donantes  que pueden ser parentales. A través de 4-6 generaciones de retrocruzamientos,  obtenemos una mejora deseada. Se ha usado por ejemplo para obtener variedades  de tomates que maduren más pronto.

Métodos de cultivo in vitro

Propagación vegetativa de: plantas, semillas,  embriones, órganos (hojas, tallos, raíces o callos), explantos, células o protoplastos;  sobre un medio nutritivo en condiciones de asepsia. Se usan condiciones ambientales  óptimas. Facilita la manipulación genética, molecular, u hormonal del material a  propagar. A través del uso de hormonas (auxinas o citoquininas por ejemplo), se juega  con dos parámetros importantes: la diferenciación o morfogénesis (aparición de  estructuras y órganos), o el crecimiento (incremento de biomasa general o de algún  órgano en concreto). En protoplastos, es decir, células vegetales aisladas de su pared  celular, mediante fusión de protoplastos de variedades diferentes se puede obtener un  híbrido somático que puede regenerar una planta adulta. No tiene mucha eficacia pero asegura la conservación del clon o genotipo que se trata de propagar.

Métodos de Genética Molecular de Plantas

Introducción de una o varias  secuencias específicas de DNA en el genoma de un huésped, a través de diferentes  técnicas de transformación genética. Estas secuencias pueden provenir de individuos  de otras especies (DNA foráneo), e incluso de otros reinos, para conseguir la  expresión fenotípica en un cultivo concreto de dichos genes (transgenes). Las plantas  resultantes son conocidas como plantas transgénicas. Para que estos genes se  expresen en el genoma de las plantas, debemos realizar una construcción que delante  de dicho gen lleve alguna secuencia de expresión inducible o constitutiva tales como  promotores, como es el caso del promotor 35S del virus mosaico de la coliflor, que es  un promotor de expresión fuerte en plantas, se utiliza para obtener la expresión  constitutiva de genes en plantas transformadas. Hay otros promotores que solo se  expresan en órganos específicos o que dependen de una serie de condiciones  inducibles para su expresión.

Procedemos a describir las principales técnicas de ingeniería genética y biotecnología  vegetal, que pueden aplicarse sobre protoplastos, tejidos embriones o  microorganismos vectores:

1. Biobalística: el DNA foráneo en forma de plásmidos (por ejemplo), dada sus  carga negativas por los fosfatos, se adhiere a partículas de oro o tungsteno por  uniones electrostáticas, y éstas son proyectadas con una pistola especial a grandes velocidades sobre la muestra, y este DNA se puede introducir de esta  forma en las células o incluso en cloroplastos y núcleos.
2. Choque químico y/o térmico: a través de debilitar la membrana con cloruro  de calcio, y el uso de choques térmicos de calor y frío, se puede promover la  entrada de fragmentos de DNA foráneo en el interior de células vegetales sin  pared celular o microorganismos vectores.
3. Electroporación: a través de descargas eléctricas se debilita la membrana de  las células vegetales o de microorganismos vectores, produciendo poros que  pueden promover la entrada de fragmentos de DNA foráneo en el interior de  células vegetales sin pared celular o microorganismos vectores.
4. Transformación con Agrobacterium: Agrobacterium es una bacteria del  suelo patógena de plantas, que infecta y transforma la parte aérea de las  plantas -concretamente en la corona, entre tallo y raíz- (Agrobacterium  tumefaciens) o la parte radicular (Agrobacterium rhizogenes), introduciendo en  sus células vegetales el T-DNA del plásmido Ti, que se integra aleatoriamente  en el genoma de la célula vegetal. Este T-DNA tiene una serie de genes  productores de hormonas del tipo auxinas/citoquininas con lo que se forman  tumores o agallas en la planta; y una serie de genes productores de opinas  (octopinas/nopalinas) que son sustancias que solo estas bacterias pueden  utilizar como fuente de carbono. El procedimiento manipulado a través de  Agrobacterium se realiza utilizando cepas que no tengan en su plásmido Ti la  región tumorigénica del T-DNA (plásmidos Ti desarmados), y en sustitución se  introducen genes foráneos de interés con un promotor asociado y marcadores  de selección, que permiten a través de diferentes antibióticos, seleccionar  aquellas bacterias y plantas que expresen únicamente este vector. Esto se  puede realizar por recombinación clásica o a través del sistema gateway, que  es un sistema de clonación muy usado actualmente en los laboratorios de  biología molecular. Para ello se utilizan otras bacterias tales como Escherichia  coli quimio o electrocompetentes (que aceptan dichos plásmidos a través de  las técnicas de choque térmico o electroporación previamente citadas).
   
   

   Imágenes de mi trabajo de fin de máster. Transformación de explantos de Citrange carrizo a través de la inoculación de la bacteria Agrobacterium tumefaciens EHA105, y obtención de plantas transformantes.

5. Transformación a través de la tecnología GateWay®: Es un método de  biología molecular patentado por Invitrogen, que permite introducir fragmentos concretos de DNA en microorganismos de forma eficiente (90-99%), utilizando  varios plásmidos, sitios de recombinación gateway y dos enzimas patentadas.  Se basa en la recombinación sitio-específica, basada en el mecanismo de integración y escisión del fago lambda (λ). Su finalidad es cubrir una necesidad  de poder realizar plasmidos de múltiple expresión, dado que los costes para  hacerlo con otras técnicas de clonamiento múltiples, más los costes de las  enzimas de restricción, encarecía mucho el procedimiento, a parte de llevar  varias semanas en realizarlo. Este procedimiento es más económico y se ven  resultados positivos en 1 a 3 días. Se usa para localización de proteínas, purificación de proteínas, expresión de  múltiples genes, interacción de proteínas, etc. y muestra muchas ventajas  frente a otras técnicas de clonación, tales como alta compatibilidad y  flexibilidad, clonación de fragmentos múltiples, marcos de lectura constante, y  alta eficiencia.
   
   

   Tecnología GateWay.

   El mecanismo es introduciendo nuestro gen de interés, flanqueado  por ambos extremos por sitios attB1 y attB2, en un plásmido donador.  Recombinamos ambos con la enzima BP clonasa, y se genera un subproducto  que se descarta y el plásmido de entrada con el gen de interés. Acto seguido  se transfiere por recombinación el gen de interés desde el vector donador al  vector de expresión utilizando la enzima LP clonasa, y de ahí puede  introducirse en diferentes microorganismos a través de diferentes técnicas.
6. CRISPR/cas9: Es una técnica de edición genética, es decir, una técnica que  sirve para modificar nuestros genes, y que fue descubierta en 1987 por un  científico español que, injustamente, aún no se ha llevado ningún premio  Nobel. Este investigador, Francisco Juan Martínez Mujica, descubrió en unas  bacterias unas secuencias repetitivas y conservadas que flanqueaban DNA  vírico, y que parecían ser responsables de la capacidad de la bacteria de  destruir el genoma de ciertos virus y ser inmunes a ello. Estas secuencias  repetitivas son las Cluster Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats  (CRISPR), que es una maquinaria, junto con las proteínas cas9, que  transportan el fragmento de DNA flanqueado en forma de RNAm, buscando la  secuencia complementaria, uniendose a ella y fragmentándola, en este caso, el  DNA del virus; y es por ello que se les describe como tijeras moleculares.La finalidad de esta técnica será no solamente inactivar genes sino reemplazar  genes con la secuencia correcta, corrigiendo enfermedades en seres humanos,  o haciendo mejora genética en agricultura, acuiciltura o ganadería. El problema es que esta tecnología está aún lejos de estar desarrollada, y la especificidad  no es total, y en un futuro seremos capaces de inactivar genes de forma  específica sin dañar otras secuencias o regiones, lo cual puede tener  consecuencias muy graves, como cáncer.

En todas estas técnicas se trata o bien de introducir uno o varios genes foráneos, o  bien reprimir o silenciar la expresión de uno o varios genes de la propia planta,  obteniendo un resultado de interés agrícola, tal como la resistencia a diferentes  estreses ambientales, cambios en las propiedades del fruto o de la planta, o cambios  en los tiempos de maduración de frutos o de la floración.

EL MAÍZ Y EL ALGODÓN, EJEMPLOS DE MEJORA GENÉTICA EN PLANTAS

Uno de los estreses ambientales con más influencia sobre la producción agrícola son  los estreses bióticos. Para poder controlar las poblaciones de insectos que afectan al  maíz (por ejemplo), desde principios de siglo se han aplicado insecticidas en el agua  de riego (clorpirifos) o mediante pulverizaciones aéreas en avioneta, aunque esto no  asegura un control de la población de insectos, y puede generar resistencias a estos  plaguicidas. Por otro lado el poco control de las pulverizaciones han causado graves  daños sobre la población humana en Estados Unidos y países de Sudamérica, y su  uso se ha controlado mucho más a través de nuevas enmiendas y leyes sobre todo  desde que en 1962, Rachel Carson publicase el libro “Primavera Silenciosa”, donde  advertía sobre los efectos dañinos de los pesticidas sobre el medio ambiente y la  población.

Hay varios insectos que afectan seriamente al maíz y al algodón, y provoca daños en  su producción.

• El taladro del maíz (Ostrinia nubilalis), un lepidóptero de 2-3 cms de longitud  cuya puesta daña seriamente los tejidos del maíz. Las larvas, de una longitud máxima de hasta 2 cm, se alimentan de los haces vasculares del tallo, y de las  mazorcas, formando túneles y destruyendo la planta huésped.
• El escarabajo del maíz (Chaetocnema pulicaria), un coleóptero de 1-2 mm de  longitud que se alimentan de sus raíces y de las hojas, y son portadores de  virus que provocan la enfermedad del virus moteado del maíz (MCMV).
• La larva en espiral del maíz (Euxesta mazorca y Euxesta stimagtias), larvas de  díptero que se alimentan de las hojas del verticilo. Transmiten hongos del  género Fusarium y producen aborto en mazorcas.
• Hay muchos más, incluyendo áfidos, más especies del taladro del maíz según  el hemisferio en el que se encuentren los cultivos, y muchos virus y hongos  asociados a estas plagas.
• En algodón las plagas más importantes son: heliotis (Heliotis armigera), gusano  rosado (Pectinophora gossypiella), araña roja (Tetranychus urticae), y pulgones  de la especie Aphis gossypii.

Se ha reportado que las pérdidas por el Taladro son de un 15% en los cultivos  convencionales de Maíz sin aplicar insecticida, y un 10% aplicando insecticidas. Para  luchar contra muchas de estas larvas, a través de la genética molecular, se ha creado  la tecnología Bt. Las siglas Bt proceden de la bacteria Bacillus thuringiensis, bacteria  gram positiva del suelo que durante su ciclo de esporulación hacia endospora, produce  unos cristales que son letales en el tracto digestivo de nematodos e insectos tales  como dípteros, lepidópteros, coleópteros y hemípteros. Estos procesos se asociaron a  la presencia de unos plásmidos que se encuentran en este Bacillus, y que contienen  los genes Cry que codifican para las proteínas Cry, que son δ-endotoxinas que se  unen a glicolípidos receptores presentes en insectos y nematodos (y ausentes en  vertebrados), y allí forman poros líticos en las membranas de las células epiteliales del  intestino medio de los insectos y nematodos. Se han descrito casi un centenar de  genes Cry, aptos para obtener plantas transgénicas con propiedades insecticidas. En  este enlace se puede acceder a una lista completa de genes Cry  (http://www.lifesci.sussex.ac.uk/home/Neil_Crickmore/Bt/toxins2.html).

 

Estas proteínas tienen especificidad por el insecto, por ejemplo, las proteínas CryI  afectan a lepidópteros y dípteros, y las proteínas CryIII afectan a coleópteros.

La tecnología Bt se basa en la transformación genética de plantas, con la inserción de  versiones sintéticas y “retocadas” para la mejor adaptación y disminución del rechazo  por parte de la planta receptora. Entre los cambios realizados se encuentran los  siguientes: eliminación de secuencias ATTA (para evitar poliadenilaciones tempranas  del RNAm), eliminación de secuencias responsables de la inestabilidad del RNAm,  cambio en el contenido de G+C, expresión con promotores de expresión fuerte y  estimuladores transcripcionales (T-35S y En35S), promotores del propio maíz como el  de la fosfoenolpiruvatokinasa (pPEPC), etc. De esta forma se han conseguido líneas  de maíz y algodón transgénico, que están siendo las líneas de aplicación más  adoptadas a nivel mundial, es decir, un 20% o 15,6 millones de hectáreas con  respecto al total de hectáreas cultivadas de transgénicos que son 81 millones de  hectáreas. En España, debido a la estricta legislación en relación de alimentos  transgénicos concretamente, se ha llegado un acuerdo con la empresa Syngenta  Breed para sembrar Maíz Bt en Huesca, Zaragoza y Lleida; y mientras cambia la  legislación, el maíz se puede vender exportar y vender al sector de alimentación  animal.

Cabe destacar, que desde el año 2009 se están comercializando híbridos de maíz que  contienen dos peculiaridades: (1) que poseen la tecnología Bt con lo que tienen  propiedades insecticidas, y (2) que poseen la tecnología para degradar el glifosato, es  decir, que además de tener propiedades insecticidas son resistentes a un herbicida  comúnmente usado en agricultura, y de esta forma resisten a dos tipos de estreses  bióticos: el que se da planta-planta, y el que se da entre animal-planta.

Desde 1996 hasta 2012 ha habido un aumento significativo de la producción mundial  de Maíz y Algodón transgénicos. El algodón ha tenido un aumento más significativo  respecto a sus cultivos tradicionales (85%) y el maíz ha aumentado un 35%.

DETRACTORES DE LAS TÉCNICAS DE MEJORA GENÉTICA

Pese a todas las ventajas que ofrecen los productos OGM, hay detractores al uso de  estos, los cuales denuncian que los límites bioéticos en el uso de estos productores  tienen una serie de riesgos tales como:

• Problemas sanitarios: supuestas resistencia a antibióticos, supuestos  compuestos anormales y difícilmente controlables en alimentos que puedan  provocar alergias o enfermedades, etc.
• Problemas ecológicos: plantas escapadas de cultivo, entrecruzamiento, pérdida  de variabilidad, pérdida de flora o fauna autóctona, etc.
• Problemas socioeconómicos: megaempresas multinacionales (como Monsanto,  actualmente Bayer) que monopolizan las patentes de los transgénicos, obligando a los agricultores a comprar semillas cada año y productos específicos para estos,  incrementando las diferencias entre los agricultores de subsistencia o tradicionales y los agricultores extensivos o industriales. Este problema puede ser  el más importante y el más real de todos los que plantean los anti-OGM.

 

El principal problema que nos encontramos con estos críticos anti-OGM es  que no ofrecen soluciones ante la demanda exponencial de recursos que requiere la  población mundial. Los OGM ofrecen mayor producción, con un menor uso de  fertilizantes y de productos pesticidas y plaguicidas. Pero si nos basamos en las  demandas de los colectivos anti-OGM, utilizaríamos únicamente cultivos tradicionales  que para producir lo que es necesario producir actualmente, requeriría aumentar las  hectáreas de cultivo, lo que llevaría a que hubiera deforestaciones sin control, con la  consiguiente pérdida de biodiversidad vegetal y animal autóctona, y a la pérdida de  espacios naturales no antropizados. Si se oponen al uso de compuestos químicos  para controlar dichas plagas, la producción será muy escasa y esto repercutirá en  hambre y desabastecimiento. En el caso de usar productos químicos a la desesperada  para cubrir estas necesidades, estarán teniendo un gran impacto en contaminación  ambiental atmosférica, de acuíferos, ríos, lagos, y finalmente del mar. De la misma  manera, la necesidad creciente del uso de fertilizantes para cubrir estas necesidades,  llevará a aumentar la contaminación por sulfatos, fosfatos y nitratos en los acuíferos  debido al proceso de lavado y lixiviado del suelo.

Aún así España, pese al potencial científico y agrícola que tiene, es uno de los países  que más rechaza el uso de OGM a nivel mundial, teniendo en cuenta que sus pocas  hectáreas de cultivo dedicados a estos organismos vegetales corresponden a menos  de un 1% del total de hectáreas a nivel mundial. Los lobbies ecologistas anti-OGM  tienen mucho impacto sobre las decisiones políticas en todos los países, y está bien que haya presión sobre este sector, para que la normativa que se haga en esta  materia en un futuro, se haga concienzudamente y con mucho cuidado, respetando al  medio ambiente y a los pequeños agricultores, que son las verdaderas víctimas de  este sistema super competitivo.

De una forma u otra, los OGM están aquí, y han llegado para quedarse.