Marcadores moleculares de ADN y su aplicación en el mejoramiento genético agrícola

Claudia Villicaña1, Mayra Esparza2 y Josefina León Félix3* .

El mejoramiento genético clásico o fitomejoramiento ha ocurrido de manera empírica desde los inicios de la agricultura y durante la domesticación de diversas especies vegetales. De esta manera, el hombre ha logrado modificar muchas de las características de la mayoría de las plantas que se cultivan actualmente a través de la introducción de nuevos rasgos cualitativos y cuantitativos, y la selección de los individuos que las poseen, tales como una alta productividad, ciertas características en flores y frutos, la tolerancia o resistencia a enfermedades, plagas o estreses abióticos, así como diversas propiedades nutricionales, organolépticas y funcionales (Gill-Langarica et al., 2008; Foolad et al., 2012; Cristians et al., 2018). La introducción de estos caracteres se logra a través de retrocruzas entre las variedades de una misma especie o con especies silvestres, donde se emplea una variedad para ser mejorada y la otra se utiliza para transferir los genes que confieren dicho caracter. De los híbridos resultantes, aquellos con el rasgo de interés se seleccionan y se retrocruzan sucesivamente con la variedad parental para eliminar el ADN residual de la variedad donadora, obteniendo con ello una variedad mejorada donde se han introgresado los genes que confieren el carácter. A lo largo de la historia, la selección de caracteres con utilidad agronómica ha involucrado el uso de diversos marcadores genéticos, entre los cuales se encuentran los morfológicos (características visibles), citogenéticos (variaciones en los cromosomas), bioquímicos (isoenzimas) y moleculares (ADN), siendo estos últimos aplicados en lo que se conoce como selección asistida por marcadores moleculares de ADN (SAMM) en los programas de mejoramiento genético (Nadeem et al., 2018).

Con los marcadores

moleculares se ha acelerado la obtención de nuevos cultivares, dado que los procesos de mejoramiento genético tradicional requieren de 8 a 10 años, o incluso más tiempo.

Marcadores moleculares.

Gracias a los avances en el campo de la genética y la genómica, en la actualidad el desarrollo de plantas mejoradas se ha acelerado considerablemente con la SAMM, la cual ha logrado que la transferencia de las regiones genómicas de interés sea más precisa haciendo más eficientes las estrategias de selección en los programas de mejoramiento genético de los cultivos (Mienie et al., 2005). Los marcadores moleculares se definen como segmentos de ADN polimórfico cuya herencia genética se puede rastrear de generación en generación y que permiten distinguir la presencia o ausencia de un gen o locus en específico, facilitando la selección fenotípica de organismos basándose en el genotipo. Un marcador molecular puede derivarse de un polimorfismo o mutación específica del gen que confiere la característica o puede ser una región genómica ligada al caracter de interés, preferencialmente a no más de 5 cM (centi Morgan) para asegurar que dicho marcador cosegregue junto al gen de interés (Kelly et al., 2003). Los marcadores moleculares de ADN ofrecen cuantiosas ventajas a diferencia de otros tipos de marcadores ya que son más numerosos y diversos, presentan una mayor segregación, son fenotípicamente neutros (estables a condiciones ambientales y en diferentes etapas de desarrollo de la planta) y pueden evaluarse desde estadios tempranos en plántulas, reduciendo los costos de selección (Rallo et al., 2002; Nadeem et al., 2018). Asimismo, algunos marcadores pueden ser codominantes, los cuales permiten distinguir las plantas heterocigotas de las homocigotas para el rasgo, a diferencia de los marcadores dominantes que solo indican la presencia del locus (Arens et al., 2010). El uso de los marcadores moleculares data desde los años 80, siendo los RFLPs uno de los primeros en desarrollarse, donde los polimorfismos se detectan a través de cortes específicos con endonucleasas de restricción. No obstante, a partir del desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), se diversificaron los tipos de marcadores moleculares basados en ésta técnica o en combinación con las endonucleasas de restricción. De aquí, diversos marcadores basados en el polimorfismo del genoma completo (RAPD, AFLP), en regiones microsatélites (ISSR, SSR), en secuencias mitocondriales o del cloroplasto, en retrotransposones (IRAP, REMAP) o secuencias totalmente caracterizadas (SCAR, CAPS) se han utilizado ampliamente para la detección de locus específicos y la generación de mapas de ligamiento muy completos en diversos cultivos de importancia, tales como el maíz, tomate, trigo, cebada, brasicas, entre muchos otros (Nadeem et al., 2018).

Un marcador molecular

puede derivarse de un polimorfismo o mutación específica del gen que confiere la característica o puede ser una región genómica ligada al carácter de interés.

Secuenciación masiva y el diseño de marcadores moleculares.

Con el progreso de las tecnologías de secuenciación de nueva generación (NGS) así como la genotipificación por secuenciación (GBS) se ha revolucionado el desarrollo de nuevos marcadores moleculares, principalmente de aquellos basados en SNPs, puesto que se han logrado identificar de manera fina a lo largo del genoma o en regiones específicas.

Además, estas técnicas de secuenciación han contribuido substancialmente al descubrimiento, validación y evaluación de marcadores moleculares ya descritos en diversas poblaciones vegetales, mejorando con ello los mapas genéticos utilizados ampliamente para el mejoramiento. Los marcadores basados en SNPs se usan ampliamente para la discriminación de alelos, la ge-

El uso de los marcadores moleculares

data desde los años 80, siendo los RFLPs uno de los primeros en desarrollarse.

notipificación de poblaciones, mapeo genético y de QTLs, asociación y selección genómico, así como en estudios filogeográficos. Asimismo, facilitan el desarrollo de otros tipos de Los mapas genéticos son componentes clave en el desarrollo de

marcadores como los CAPS, los cuales permiten la detección del SNP a través de la digestión con endonucleasas de restricción (Nadeem et al., 2018).

Los marcadores moleculares

contribuyen en el pre-mejoramiento a través de la conservación y el uso de los recursos genéticos.

Aplicación de los marcadores moleculares en el fitomejoramiento.

Los marcadores moleculares tienen múltiples aplicaciones en los diversos aspectos del mejoramiento genético de plantas. Contribuyen en el pre-mejoramiento a través de la conservación y el uso de los recursos genéticos, incluyendo la caracterización, pureza y diversidad genética de progenitores y de bancos de germoplasma, potencialmente útiles para la selección de genotipos parentales para desarrollar poblaciones de mapeo y cruzamientos; durante el mejoramiento con la selección de progenitores y monitoreo en los híbridos, evaluación de la heterosis y ploidía, la selección asistida para caracteres cualitativos y cuantitativos, y la introgresión de genes desde especies silvestres, para lograr el desarrollo de genotipos adaptados a nuevos requerimientos ambientales y nuevas demandas del mercado de consumo; e incluso en la etapa de post-mejoramiento asistiendo en la identificación y monitoreo de organismos genéticamente modificados (OGMs) (Collard et al., 2005). plantas mejoradas ya que permiten identificar genes o loci útiles para incorporar en el desarrollo de cultivares, así como entender las bases biológicas de caracteres complejos como los de herencia cuantitativa y la clonación posicional de genes. Los marcadores moleculares han jugado un papel crítico en la obtención de mapas genéticos con alta densidad de marcadores genéticos, especialmente aquellos que se encuentran ligados a caracteres de interés agronómico (Masuelli, 1999). De esta manera, se han logrado identificar marcadores moleculares asociados a caracteres monogénicos relacionados con resistencia a enfermedades en diversos cultivos como el tomate y el frijol (Gill-Langarica et al., 2008; Foolad et al., 2012). Por otro lado, los marcadores moleculares también han permitido analizar los factores Mendelianos que determinan caracteres cuantitativos (QTLs) de importancia agronómica (por ejemplo, el rendimiento, el tamaño y número de frutos, la altura de la planta), donde han permitido determinar el número y el efecto de los factores genéticos que controlan la herencia cuantitativa para un rasgo. Por tal, la SAMM se ha fortalecido como una potente herramienta biotecnológica que facilita a los mejoradores la selección de uno o más caracteres en una planta trazado por marcadores moleculares para su posterior incorporación en un genotipo a mejorar. Con ello, se ha acelerado la obtención de nuevos cultivares, dado que los procesos de mejoramiento genético tradicional requieren de 8 a 10 años, o incluso más tiempo si son varios los caracteres a introducir. Cabe mencionar que el uso de marcadores moleculares validados para el caracter es esencial para trazar la herencia de los rasgos introducidos de manera confiable y con ello garantizar la obtención de cultivares mejorados con las características deseadas.

Agradecimientos.

A INAPI Sinaloa por el apoyo al proyecto PIVISE 2017/02-1056 “Desarrollo de marcadores moleculares de ADN para la detección de cultivares de tomate resistentes a patógenos” otorgado a la Dra. Josefina León Félix. A la dirección de Cátedras CONACYT por el apoyo a la Dra. Claudia Villicaña con el proyecto 784 “Genómica funcional de organismos de importancia agroalimentaria para México”.

1 CONACYT-Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo (CIAD), A. C. Carretera Eldorado Km. 5.5, Apartado Postal 32-A. C. P. 80110, Sinaloa, México.2 Centro de Innovación y Transferencia de Tecnología Agropecuaria de Sinaloa- Fundación Produce Sinaloa, A.C. C. P. 80308, Aguaruto Sinaloa, México. 3 Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo A. C. Carretera Eldorado Km. 5.5, Apartado Postal 32-A. C. P. 80110, Culiacán, Sinaloa, México.*Autor corresponsal, ljosefina@ciad.mx.-