Tecnología RNAi: una tecnología para el control de plagas y enfermedades

El RNA de interferencia es una estrategia poderosa y precisa que puede ayudar a mejorar la producción y protección de cultivos.

Por: Permingeat, H.

Algunos de los conocimientos basados en las ciencias biológicas que se aplican a la producción agropecuaria derivan de sucesos que ocurren en el ámbito celular. La aplicación de estos conocimientos ofrece tecnologías y herramientas en diferentes planos. En este artículo, abordaremos la tecnología RNAi, una herramienta que promete su aparición en el campo en un futuro mediato.

¿QUÉ ES, CÓMO FUNCIONA Y QUÉ ALCANCE TIENE LA TECNOLOGÍA RNAI EN LOS CULTIVOS?

La tecnología RNAi (nombre que viene de RNA de interferencia) es un proceso biológico que produce el silenciamiento de genes de manera muy específica mediante el empleo de pequeñas moléculas de doble cadena de ARN. Generalmente, se habla de expresión de genes, pero en este caso, el foco está puesto en la represión o silenciamiento de genes. Esta tecnología es una estrategia poderosa y precisa que puede ayudar a mejorar la producción y protección de cultivos. El ARNi se basa en mecanismos específicos de secuencia natural y evolutivamente conservados en eucariotas que regulan la expresión génica a nivel transcripcional o postranscripcional. De esta manera, proporcionan un sistema de defensa natural que puede atacar los ácidos nucleicos invasores de organismos y virus hostiles, o regular la expresión de otros genes involucrados en metabolomas o fenotipos que se desean bloquear (Taning y col., 2020).

En su mecanismo de acción para el silenciamiento génico, una molécula de ARN precursora es procesada en la célula para constituirse en una pequeña molécula de doble cadena de 21-23 pares de bases (el ARNi). Esta molécula se une a un complejo donde también participa un sistema de enzimas y este conjunto recibe el nombre de "complejo del silenciamiento inducido por RNA" (RISC, sus siglas en inglés). El RISC reconoce un ARN complementario, como el ARNm, cuya unión a través del apareamiento de bases desencadenará su degradación o modificación. La degradación de ese ARNm impide la síntesis de la proteína específica que codifica y así el gen se dice silenciado (Kleter, 2020).

A través del mecanismo de silenciamiento de un gen específico, esta tecnología ofrece alternativas para varios aspectos de la producción agrícola. Muchos de ellos están vinculados con la protección vegetal, tanto en el control de plagas y enfermedades (Liu y col., 2020; Taning y col., 2020, Mendelsohn y col., 2020, Hudzik y col., 2020), como en la reversión temporal de la resistencia (mediante una ventana de sensibilidad) a herbicidas en malezas resistentes (Perotti y col., 2020). Otros aspectos se relacionan con objetivos más específicos del mejoramiento. Un ejemplo reciente lo mencionan Zhang y col. (2020), quienes describen la obtención de harinas de cereales aptas para celíacos a partir del silenciamiento de genes que normalmente se expresan en el gluten.

¿CÓMO LLEGA ESTA TECNOLOGÍA A LAS CONDICIONES DE CAMPO?

La tecnología puede utilizarse de dos maneras: a través de una modificación genética en la planta del cultivo (esto es, a través de un cultivo genéticamente modificado y cuyas plantas finalmente expresan un gen codificante del RNAi) o con aplicaciones de aspersión de RNA de doble cadena (ds- RNA), generalmente asociadas al control de plagas.

En el ejemplo del silenciamiento de genes vinculados a la celiaquía en cereales (Zhang y col., 2020), fue necesario desarrollar cultivos genéticamente modificados con esta característica. De igual manera, para el control de plagas, es posible conseguir el silenciamiento de un gen clave de la plaga a través de la "ingesta" del dsRNA expresado y presente en el tejido vegetal del cultivo genéticamente modificados. Esto se conoce como "silenciamiento génico inducido por el huésped" (HIGS, por sus siglas en inglés). En este sentido, se ha observado la capacidad natural de las plantas para intercambiar ARN pequeños con organismos eucariotas invasores. Hudzik y col. (2020) describen el estado actual de la investigación de los ARN pequeños trans-especies entre plantas y plagas, y documentan varios ejemplos de aplicación en interacciones de interés agronómico con diferentes cultivos y plagas. Se destaca la capacidad de la HIGS para controlar hemípteros (áfidos, pulgones), coleópteros (vaquitas) y lepidópteros (Liu y col., 2020).

Una alternativa que se podría considerar más ecológica, sostenible y públicamente más aceptable que el uso de cultivos genéticamente modificados son las aplicaciones exógenas de ARN bicatenarios (dsR- NA). Esta estrategia se basa en el uso de dsRNA sintetizados in vitro para activar el RNAi en plagas de las plantas. Así, se han observado aerosoles de ARN aplicados a plantas que provocan el silenciamiento de genes de virus y hongos, denominado "silenciamiento del gen inducido por spray o rociado" (SIGS, por sus siglas en inglés).

Para las plagas chupadoras o masticadoras, el conocimiento de que el dsRNA se puede transmitir a través de una dieta artificial sugiere que la protección de cultivos basada en RNAi puede ser mediada por la aplicación foliar, cebos insecticidas o varios sistemas de administración que introducen el dsRNA en tejidos vasculares, como la inyección del tronco, los tratamientos de semillas o el empapado de tierra. La cubierta con nanopartículas también constituye otra opción de distribución sobre el cultivo (Das y Sherif, 2020; Liu y col., 2020).

La nanotecnología allanó una nueva era de sistemas de liberación controlada de fertilizantes que puede definirse como la transferencia regulada por permeación de ingredientes activos desde un depósito modificado a una región objetivo específica.

Hay varios factores críticos para la utilización adecuada, eficaz y segura de estas herramientas como soluciones sostenibles y modernas para la protección y mejora de cultivos. En la formulación del producto, la optimización de la concentración y la longitud de los dsRNA es un factor muy crítico para un RNAi eficaz. Para inducir un silenciamiento eficaz, es necesario determinar la longitud y la dosis de los dsRNA para genes individuales a silenciar en cada especie de planta. El método de aplicación y la técnica de administración adecuados son también importantes porque pueden afectar críticamente la tasa de absorción celular de los dsRNA exógenos y su estabilidad en condiciones de campo abierto.

En la misma línea, es de gran importancia el esclarecimiento de los mecanismos de captación celular de los dsRNA exógenos en plantas y sus organismos invasores. Además, las aplicaciones de dsRNA para el silenciamiento génico inducido por pulverización ya demostraron un gran éxito en el tratamiento de enfermedades, al menos a nivel de investigación. Sin embargo, los mecanismos de captación de dsRNA, tanto en plantas hospedadoras como en sus organismos invasores, aún no se comprenden completamente. Elucidar estos mecanismos no solo es importante a nivel científico, sino que también podría llevar a explorar nuevas técnicas de encapsulación y entrega de dsRNA, así como a optimizar las concentraciones y longitudes de dsRNA para asegurar una mejor estabilidad y eficacia duradera (Das y Sherif, 2020; Dalakouras y col., 2020).

El cambio climático, el crecimiento de la población, las estrictas regulaciones sobre los pesticidas actuales y el escepticismo sobre la seguridad de las plantas genéticamente modificadas, entre otros factores, promueven el desarrollo de nuevos enfoques ecológicos para controlar/gestionar las plagas y enfermedades de las plantas y mejorar sus características. La aplicación exógena de dsRNA para la protección de cultivos encierra una atractiva promesa para abordar estas preocupaciones y necesidades sociales. Sin embargo, en el futuro, el compromiso de los agronegocios de invertir en esfuerzos de investigación y el papel de las empresas emergentes será crucial para el desarrollo exitoso de aplicaciones prácticas de compuestos de control biológico basados ​en ARN. Además, aunque las regulaciones actuales sobre productos fitosanitarios se pueden aplicar a productos de control biológico basados ​ en ARN, se necesitan con urgencia pautas regulatorias más apropiadas y estandarizadas para facilitar todo el proceso de comercialización.

Finalmente, la comunicación para crear conciencia y aceptación pública será clave para el despliegue de estos compuestos (Taning y col., 2020). Una nueva era de productos basados en tecnologías innovadoras como la del RNAi estarán al alcance del productor en un horizonte de tiempo de mediano plazo.

REFERENCIAS

• Dalakouras A, Wassenegger M, Dadami E, Ganopoulos I, Pappas ML, and Papadopoulou K. (2020). Genetically Modified Organism-Free RNA Interference: Exogenous Application of RNA Molecules in Plants. Plant Physiology 182, 38-50.

• Das PR and Sherif SM. (2020). Application of Exogenous dsRNAs Induced RNAi in Agriculture: Challenges and Triumphs. Frontiers in Plant Sciences 11, 1-12.

• Hudzik C, Hou Y, Ma W, and Axtell MJ. (2020). Exchange of Small Regulatory RNAs between Plants and Their Pests. Plant Physiology 182, 51-62.

• Kleter GA. (2020). Food safety assessment of crops engineered with RNA interference and other methods to modulate expression of endogenous and plant pest genes. Pest Management Science 76, 3333-3339.

• Liu S, Jaouannet M, Dempsey DMA, Imani J, Coustau C, and Kogel KH. (2020). RNA-based technologies for insect control in plant production. Biotechnology Advances 39, 107463.

• Mendelsohn ML, Gathmann A, Kardassi D, Sachana M, Hopwood EM, Dietz-Pfeilstetter A, Michelsen-Correa S, Fletcher SJ, and Székács A. (2020). Summary of discussions from the 2019 OECD Conference on RNAi based pesticides. Frontiers in Plant Sciences 11, 1-6.

• Perotti VE, Larran AS, Palmieri VE, Martinatto AK, and Permingeat HR. (2020). Herbicide resistant weeds: A call to integrate conventional agricultural practices, molecular biology knowledge and new technologies. Plant Science 290, 110255.

• Taning CNT, Arpaia S, Christiaens O, Dietz-Pfeilstetter A, Jones H, Mezzetti B, Sabbadini S, Sorteberg HG, Sweet J, Ventura V, and Smagghe G. (2020). RNA-based biocontrol compounds: Current status and perspectives to reach the market. Pest Management Science 76, 841-845.

• Zhang Z, Deng Y, Zhang W, Wu Y, and Messing J. (2020). Towards coeliac-safe bread. Plant Biotechnolgy Journal 18, 1056-1065.