La caja de herramientas para un mejoramiento moderno: El desarrollo de nuevos cultivares para ambientes específicos

Tecnologías de mejoramiento moderno para el desarrollo de nuevos cultivares para ambientes específicos

Por: Permingeat, H.

El mejoramiento de cultivos es una de las áreas del conocimiento con mayor capacidad de generar innovaciones tecnológicas en el campo de la agronomía ya que permite ofrecer variedades aptas para diferentes ambientes. La productividad de las cosechas viene atada al potencial de rendimiento de un cultivar, combinado con prácticas de agricultura inteligente. En este artículo nos centraremos en algunas tecnologías para el desarrollo de nuevos cultivares, especialmente en aquellas que buscan enfrentar las condiciones ambientales que se esperan producto del cambio climático. Producto de los fenómenos extremos que se prevén para la producción, entre ellos sequías, inundaciones e importantes variaciones térmicas, se proyecta que los rendimientos mundiales de los principales cultivos se reducirán un 6% en trigo, un 3,2% en arroz, un 7,4% en maíz y un 3,1% en soja por cada grado centígrado de aumento de la temperatura media global (Zhao y col., 2017).

En este escenario, Varshney y col. (2020) proponen una estrategia que denominan "5G" para acelerar drásticamente la mejora genética de cultivos. Las 5G vienen de términos en inglés. La primera G es el ensamblaje del genoma (Genome assembly) para cada especie de cultivo, la segunda G refiere al germoplasma caracterizado a niveles genómicos y agronómicos (Germplasm characterization), la tercera G es la identificación de la función del gen (Gene function identification), la cuarta G considera las metodologías de mejoramiento genómico (Genomic breeding methodologies) y la quinta G corresponde a las tecnologías de edición de genes (Gene editing technologies).

El ensamblaje del genoma (1ª G) para cada especie cultivada se refiere al alineamiento bioinformático de múltiples fragmentos de ADN, luego de aplicar las tecnologías de secuenciación del ADN de próxima generación (NGS). En términos de costos son tecnologías muy accesibles y requieren plataformas informáticas para el análisis de grandes cantidades de datos. Actualmente se conocen más de 264 genomas de plantas, incluidos los principales cultivos, pero muchos todavía están en versión borrador y algunas especies están siendo re-secuenciadas.

La disponibilidad de un ensamblaje del genoma brinda la oportunidad de desarrollar herramientas genómicas tales como el descubrimiento de genes y el mejoramiento molecular. Con esta información se puede describir toda la variación genética, incluidos los SNP, inserciones, deleciones, transversiones, variaciones en el número de copias y cambios epigenéticos. Estas variantes son útiles en el desarrollo de matrices SNP personalizadas, que se pueden utilizar para el desarrollo de mapas genéticos saturados y la identificación de QTL. La información del ensamblaje del genoma también es vital para desarrollar un atlas de expresión génica, mapas de proteomas, de metabolomas y de epigenomas.

En relación a la caracterización del germoplasma (2ª G), es importante destacar la existencia de los bancos de germoplasma a nivel nacional e internacional para almacenar la diversidad genética de una especie vegetal de cultivo, a los que se puede recurrir con propósitos del fitomejoramiento. Los 1750 bancos de germoplasma de plantas de todo el mundo tienen 7,4 millones de accesiones (www.fao.org), pero sólo algo más del 2% de estos materiales se utilizaron como recursos fitogenéticos dando lugar a importantes mejoras en los cultivos.

Varshney y col. (2020) proponen la caracterización de tantas accesiones como sea posible, a nivel genómico y agronómico. Realizar el fenotipado en lugares específicos permitirá estudios profundos de asociación de todo el genoma e identificación de los efectos de la interacción genotipo x ambiente. Esto ofrece información para determinar el valor agronómico potencial de los alelos y las accesiones particulares para la toma de decisiones en los programas de mejoramiento.

La combinación de la NGS con el fenotipado de las accesiones brinda información útil sobre variantes de todo el genoma y conocimientos sobre la estructura de la población, la domesticación de cultivos, etc. De esta manera, se pueden identificar alelos valiosos para caracteres morfológicos, agronómicos, de desarrollo y relacionados con la calidad. En el futuro, la secuenciación de colecciones completas de germoplasma presentes en los bancos de germoplasma y la asociación con los fenotipos deberían ser un componente principal de todos los programas de mejoramiento de cultivos. La caracterización de germoplasma a gran escala también permite identificar mutaciones con efectos nocivos (carga genética) y luego se pueden ubicar mediante selección asistida por marcadores o edición de genes.

A través de un mapeo de caracteres y de estudios de genómica funcional se logró la identificación de la función de los genes (3ª G) para muchos cultivos, aunque los mecanismos moleculares de los valores agronómicos potenciales requieren de una detallada comprensión. La biología de sistemas a través de las ómicas (genómica, transcriptómica, epigenómica, proteómica y metabolómica), junto con el modelado y el análisis computacional de alto rendimiento, puede ser visto como una red integrada e interactiva de genes involucrados en los procesos biológicos de los organismos. En base a esto, se han desarrollado atlas de expresión génica, mapas de epigenoma, mapas de proteoma y mapas de metaboloma en algunas especies de cultivos.

Contar con estos recursos acelerará el uso de enfoques de biología de sistemas para comprender el mecanismo molecular de rasgos complejos como la tolerancia a la sequía o la heterosis. Una vez que los rasgos se asocian con vías particulares y se identifican los alelos superiores, los fitomejoradores pueden emplear un conocimiento más profundo de la biología de las plantas para predecir combinaciones parentales y alélicas que descubrirán rasgos agronómicos mejorados.

El mejoramiento genómico (4ª G) implica enfoques con datos multiómicos y tecnologías generadas por la investigación genómica para aplicar a los programas de mejoramiento de cultivos. Algunos de estos métodos, como la selección asistida por marcadores (MAS), el retrocruzamiento asistido por marcadores (MABC) y la selección recurrente asistida por marcadores (MARS), se utilizaron para el mejoramiento en varios cultivos. Sin embargo, es importante tener metodologías bien integradas en la mayoría o en todos los programas de mejoramiento de cultivos.

También se han sugerido enfoques nuevos, como el mejoramiento directo (FB, forward breeding), el mejoramiento basado en haplotipos (HBB) y la selección genómica (GS), junto con el mejoramiento rápido (SB, por speed breeding), para optimizar la precisión, eficiencia y tasa de ganancia genética adquirida en el mejoramiento de cultivos.

La edición génica (5ª G) surgió recientemente como un enfoque poderoso para mejorar muchos caracteres de las plantas. Se trata de una tecnología de la ingeniería genética de cultivos, basada en una mutagénesis muy precisa en la que se genera un corte de la cadena de ADN por una nucleasa específica, seguida por la reparación de la molécula mediante un sistema natural de la célula. Adicionalmente, también puede intervenir una hebra pequeña de oligonucleótidos que mediante una recombinación conduce a un cambio en algunos pocos nucleótidos del ADN de la célula. Esta tecnología de edición génica fue el hallazgo científico para galardonar con el Premio Nóbel de Química 2020 a Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna. El sistema es conocido como edición génica por CRISPR/Cas.

El enfoque de la edición génica no sólo es útil para crear alelos nuevos, sino también puede usarse para la promoción de alelos superiores y la eliminación de alelos con efectos deletéreos identificados a través de esfuerzos de secuenciación a gran escala. Además, se sugirió que podría aplicarse un enfoque de domesticación inversa para cultivos nuevos o cultivos actuales mediante la edición de genes relacionados con los rasgos de domesticación en especies silvestres. Esto podría diversificar los cultivos y disponer de líneas superiores con mayor resistencia al estrés. Dado que este enfoque puede requerir varios ciclos de edición y fijación de líneas, se sugirieron enfoques de "Express-Edit" que combinan el mejoramiento rápido (SB) con la edición génica (GE).

Contar con estos recursos acelerará el uso de enfoques de biología de sistemas para comprender el mecanismo molecular de rasgos complejos como la tolerancia a la sequía o la heterosis.

Una complementación muy atractiva en el mejoramiento por edición génica de cultivos es la combinación con la Evolución Dirigida (ED) de proteínas (Gionfriddo y col., 2019). La ED es un método poderoso para generar proteínas con nuevas propiedades químicas y físicas. Imita los principios de la evolución darwiniana al imponer una presión selectiva sobre una gran población de moléculas que albergan una variación genética aleatoria en el ADN, de modo que se generan y seleccionan secuencias con propiedades deseables específicas.

Los autores afirman que la combinación de tecnologías de ED y de edición del genoma (ED-GE) representa una herramienta poderosa para descubrir e integrar nuevos caracteres en las plantas y así obtener beneficios agronómicos. La combinación de ED-GE ofrece una nueva plataforma de investigación de la (r)evolución verde y puede proporcionar soluciones novedosas para las principales aspiraciones de entrega de caracteres para la agricultura sostenible, cultivos resistentes al clima y una mejor seguridad alimentaria y calidad nutricional.

la combinación de tecnologías de ED y de edición del genoma (ED-GE) representa una herramienta poderosa para descubrir e integrar nuevos caracteres en las plantas y así obtener beneficios agronómicos.

La transgénesis es otra tecnología que permite la introducción de genes provenientes de otras especies en un cultivo (un gen Bt por ejemplo, que proviene de una bacteria –Bacillus thuringiensis- y no existe en las plantas), por lo que esos genes (al estar ausentes) no podrían ser editados. Claro que la innovación tecnológica también llega a estas tecnologías. Hoy es posible ubicar un transgen en un lugar preciso del genoma mediante el uso de una nucleasa Cas (la misma de la edición génica) guiada por una hebra de RNA. Es decir, se puede producir una inserción de un (trans)gen en un lugar específico del genoma (inserción sitio-dirigida). En este último caso se estaría combinando un proceso de transgénesis con herramientas de la edición génica. Igualmente, ambos procesos de ingeniería genética pueden conducir al silenciamiento de genes mediante el uso de la tecnología RNAi, por ejemplo.

Más allá de poder aplicar todas estas tecnologías, es imperativo comprender y explotar el potencial genético de la adaptación de los cultivos para mantener la seguridad alimentaria. Esto se debe a que los récords de temperatura máxima diurna y nocturna se muestran de manera rutinaria en todos los continentes, al igual que los episodios de sequía. Este conocimiento estará respaldado por un fenotipado riguroso si se quiere lograr un impacto en la mejora de los cultivos.

A nivel de campo, el rendimiento de grano es el rasgo fenotípico más valorado por cualquier fitomejorador porque integra todos los rasgos y genes importantes en un punto de referencia biológica y económicamente útil (donde se combinan prácticas de manejo, variación en el clima y propiedades del suelo, y efectos estacionales que incluyen factores bióticos y abióticos, entre otros factores). Un importante complemento de las tecnologías moleculares es el fenotipado de alto rendimiento (HTP), que ofrece la expectativa de aumentar la eficiencia y la precisión de la selección. El poder de HTP se debe en gran parte a una función de las tecnologías de detección proximal y remota que pueden medir las características de los cultivos a lo largo de la temporada utilizando reflectancia espectral, de una manera no intrusiva y a una escala de reproducción. No obstante, un fenotipado más completo, a menudo destructivo, todavía tiene mucho que ofrecer tanto en la mejora como en la investigación (Reynolds y col., 2020).

Reynolds y col. (2020) consideran tres dominios principales del fenotipado, según la escala o necesidad del fitomejorador: (i) un "conjunto mínimo de datos fáciles de recopilar", donde ser "práctico" es primordial y se basa a menudo en la evaluación visual; (ii) el fenotipado de alto rendimiento (HTP), relativamente nuevo para la mayoría de los fitomejoradores, que requiere una inversión significativamente mayor con obstáculos técnicos para la implementación y una curva de aprendizaje más pronunciada que el conjunto mínimo de datos; (iii) una caracterización detallada o fenotipado de "precisión", normalmente personalizado para un conjunto de rasgos asociados con un entorno objetivo y que requiere una cantidad significativa de tiempo y recursos. En la medida que crece el nivel de complejidad, se obtienen más beneficios por su combinación con las tecnologías genéticas/genómicas y es posible construir modelos de predicción a partir de fenotipos de alta precisión y rendimiento.

Los recursos genéticos existentes en los bancos de germoplasma, los cultivares de élite, las razas locales y las accesiones silvestres seguirán siendo la base de cualquier programa de mejoramiento. La aplicación de tecnologías NGS, la bioinformática, la información derivada de las tecnologías de las ómicas, la ingeniería genética de cultivo y las herramientas de fenotipado (en sus distintas versiones: más simples o más complejas, proximales o remotas) para la caracterización y posterior explotación de la diversidad genética, constituyen una caja de herramientas que promete revolucionar las estrategias de mejoramiento y lograr una mejora genética más eficiente de los cultivos según el ambiente, incluso con adaptaciones al cambio climático.

REFERENCIAS

• Zhao C, Liu B, Piao S, Wang X, Lobell DB, Huang Y, Huang M, Yao Y, Bassu S, Ciais P et al.(2017). Temperature increase reduces global yields of major crops in four independent estimates. Proc Natl Acad Sci USA, 114:9326-9331.

• Varshney RK, Sinha P, Singh VK, Kumar A, Zhang Q and Bennetzen JL. (2020). 5Gs for crop genetic improvement. Current Opinion in Plant Biology, 56:190–196

• Reynolds M, Chapman S, Crespo-Herrera L, Molero G, Mondal S, Pequeño DNL, Pinto F, Pinera-Chavez FJ, Poland J, Rivera- Amado C, Saint Pierre C, Sukumaran S. (2020). Breeder friendly phenotyping. Plant Science, 295: 110396. (19339)

• Gionfriddo M, De Gara L, and Loreto F. (2019). Directed Evolution of Plant Processes: Towards a Green (r)Evolution?. Trends in Plant Sciences, 24: 999-1007