• La biotecnología y el mejoramiento vegetal
• Objetivos y aplicaciones de las plantas transgénicas
• Modificación genética de una planta
• Cultivo de células y tejidos vegetales

 

La biotecnología y el mejoramiento vegetal

Las plantas que hoy se cultivan son diferentes a sus antepasados silvestres, ya que el hombre ha modificado y seleccionado sus propiedades a lo largo de más de diez mil años en función de sus necesidades. Los cultivos que utiliza el agricultor en la actualidad han sido generados por los métodos convencionales en centros públicos o privados dedicados al mejoramiento y producción de nuevas variedades. Estos métodos se basan en el cruzamiento entre individuos de la misma especie pero que muestran características diferentes, y una posterior selección de los ejemplares que presentan las características deseadas. El cruzamiento seguido de la selección artificial se repite sucesivamente de manera de lograr, en la variedad final, la incorporación de los genes que llevan información para los rasgos deseados y la eliminación de aquellos relacionados con las características no deseadas. Este proceso de generación de nuevas variedades ha sido (y continúa siendo) muy útil en la agricultura y ha originado a las variedades que se cultivan hoy en día.

A fines de la década de 1920 los investigadores descubrieron que se podían obtener mutaciones (cambios en el ADN) exponiendo a las plantas a agentes mutágenos físicos (rayos X y gamma, neutrones, protones, etc.) o químicos (etilmetanosulfonato, azida sódica, etc.).

Estas mutaciones ocurren al azar en el genoma y generan una gran variabilidad que puede dar lugar a la aparición de características interesantes, las que son seleccionadas por el fitomejorador. Así se obtuvo el pomelo rosado, a partir del pomelo blanco mutagenizado por radiación.

Hay más de 2.000 especies vegetales que se consumen en el mundo y que fueron mejoradas en algún momento por mutagénesis, incluyendo al trigo, arroz, lechuga, porotos, etc. En la base de datos de la FAO/IAEA se puede encontrar una lista con más de 2.000 cultivos que se consumen en el mundo y que fueron mejorados por mutagénesis.

La biotecnología moderna se suma hoy a las prácticas convencionales como una herramienta más para mejorar o modificar los cultivos vegetales. En este sentido, esta metodología ofrece tres ventajas fundamentales respecto a las técnicas convencionales de mejora genética:

• Los genes que se van a incorporar pueden provenir de cualquier especie, emparentada o no (por ejemplo, un gen de una bacteria puede incorporarse al genoma de la soja).
• En la planta mejorada genéticamente se puede introducir un único gen nuevo preservando en su descendencia el resto de los genes de la planta original.
• Este proceso de modificación demora mucho menos tiempo que el necesario para el mejoramiento por cruzamiento.

En resumen, con esta tecnología es posible incorporar características que no existen en una determinada especie, y de una manera más rápida y precisa. Sin embargo, presenta algunas limitaciones, especialmente en el caso de caracteres gobernados por muchos genes, y para rasgos para los cuales se desconocen los genes correspondientes. En este sentido, los proyectos genoma son una herramienta fundamental, ya que están permitiendo identificar más rápidamente a los genes de interés.

En el siguiente esquema se realiza una comparación entre cruzamiento tradicional y biotecnología:

Objetivos y aplicaciones de las plantas transgénicas

Así como la ingeniería genética se emplea para introducir genes en las bacterias para que produzcan medicamentos o enzimas industriales, también sirve para incorporar nuevos genes a las plantas con el fin de mejorar los cultivos. El empleo de la ingeniería genética o transgénesis en el mejoramiento vegetal es lo que se denomina agrobiotecnología o biotecnología vegetal. Sus objetivos consisten en aumentar la productividad de los cultivos contribuyendo a una agricultura sustentable, que utiliza los recursos respetando al medio ambiente y pensando en las generaciones futuras. También se propone mejorar los alimentos que derivan de los cultivos vegetales, eliminando sustancias tóxicas o alergénicas, modificando la proporción de sus componentes para lograr alimentos más saludables o aumentando su contenido nutricional. Otra aplicación de la biotecnología vegetal es el empleo de las plantas como biorreactores o fábricas para la producción de medicamentos, anticuerpos, vacunas, biopolímeros y biocombustibles. Estos objetivos y aplicaciones pueden agruparse como sigue:

• El mejoramiento de rasgos agronómicos (también llamados en inglés “input traits”), como ciertas características morfológicas (tamaño del grano, altura de la planta, etc.), resistencia a plagas y enfermedades (virus, insectos, hongos, etc.) y tolerancia a herbicidas o a condiciones ambientales adversas (salinidad, heladas, sequía, etc.). Son ejemplos de estas mejoras los cultivos que actualmente se comercializan en el mundo: soja tolerante a herbicida, maíz y algodón resistentes a insectos, papaya resistente a virus, etc.

• La mejora de características relacionadas con la calidad (también llamadas en inglés “output traits”), a través de la modificación en las vías metabólicas y la composición de los cultivos. Dentro de estas aplicaciones se encuentran:
• la generación de alimentos más saludables y seguros, como aceite de soja con una composición más saludable de ácidos grasos, maní hipoalergénico y arroz con niveles aumentados de pro-vitamina A,

• la obtención de mejores alimentos para animales, como pasturas más fáciles de digerir, y maíz con mayor contenido de aminoácidos esenciales,
• las mejoras de los cultivos para determinadas aplicaciones industriales, como granos con más aceite o con diferente composición de ácidos grasos, y madera con menos lignina para la fabricación del papel. También pueden incluirse en este grupo las frutas con maduración retardada,
• los cambios en las propiedades de las plantas para fitorremediación (la remediación de suelos y aguas contaminadas usando plantas),
• las modificaciones en las características decorativas de las plantas ornamentales (color y duración de las flores, calidad del césped, etc.),

• El empleo las plantas como fábricas de moléculas de interés industrial, como anticuerpos, vacunas, enzimas, etc.

Modificación genética de una planta

El proceso de generación de un cultivo transgénico puede dividirse en cuatro etapas:

1. Incorporación del gen de interés en una construcción genética adecuada
2. Introducción de la construcción genética en las células vegetales
3. Regeneración de la planta completa a partir de las células transformadas
4. Introgresión de la característica nueva en variedades de alto valor comercial.

Aunque el gen de interés puede ser de cualquier origen, siempre deber ir acompañado de elementos que permitan su correcta expresión en la planta hospedadora (esto es, que pueda obtenerse la proteína a partir del gen, y por lo tanto, la característica deseada). Para eso, y por ingeniería genética, se arma una construcción que contiene al gen de interés, rodeado de dos elementos o secuencias: un “promotor”, que asegura el inicio de la expresión, y un “terminador”, que garantiza la terminación correcta del mensaje. Los promotores y terminadores son secuencias muy bien caracterizadas y provienen de genes vegetales (plantas o virus y bacterias que infectan plantas). La construcción a su vez se inserta en una molécula de ADN llamada “vector”, cuya estructura depende del método de transformación elegido.

Estructura de la construcción genética

La introducción de la construcción genética se realiza principalmente a través de dos métodos: la transformación mediada por Agrobacterium tumefaciens y el bombardeo con micropartículas o biobalística. Hay otras alternativas, aunque de uso más limitado, como la electroporación, la microinyección directa y el empleo de virus vegetales.

En muchas especies vegetales (especialmente en las dicotiledóneas) es posible introducir genes a través de una bacteria del suelo, llamada Agrobacterium tumefaciens. Cuando esta bacteria infecta a la planta, generalmente en la base del tallo, las células de la planta proliferan como un tumor, denominado “agalla de la corona”. Las células de este tumor pueden crecer en cultivo y se multiplican aún en ausencia de hormonas. Durante la infección la bacteria transfiere un fragmento de su plásmido (llamado plásmido Ti) a las células de la planta. Este fragmento se denomina ADN-T y termina integrándose en algún lugar del cromosoma. Por ingeniería genética se puede insertar un gen de interés en la región T del plásmido Ti. Así, luego de la infección, el nuevo gen será también transferido a la célula vegetal e insertado en el genoma de la planta.

No todas las especies pueden ser transformadas usando A. tumefaciens. Especialmente para las monocotiledóneas se ha desarrollado un método alternativo, denominado “bombardeo con micropartículas”. En este método, se recubren micropartículas de oro o de tungsteno con el ADN, las cuales son aceleradas en un “cañón génico” para adquirir suficiente velocidad y poder penetrar en la célula.

En la siguiente figura se representan esquemáticamente los dos métodos principales de modificación genética.

Luego de la transformación, las células que recibieron los genes de interés se seleccionan empleando antibióticos o herbicidas en el medio de cultivo (además de los genes de interés, se introducen otros genes, denominados “marcadores de selección” que le confieren resistencia a las células que los llevan, de modo que las que células que no llevan estos genes marcadores, mueren).

Gran parte de las células vegetales son totipotentes, quiere decir que una célula de cualquier parte de la planta puede multiplicarse y generar la planta completa. Para eso las células deben crecer en el medio de cultivo adecuado y en presencia de determinadas hormonas y factores vegetales. El resultado es una planta que lleva el gen de interés en cada una de sus células.

Cultivo de células y tejidos vegetales

El paso siguiente es incorporar el nuevo gen, a través de cruzamientos, en líneas de alto valor comercial (líneas “elite”). De esta manera la nueva variedad tendrá un rendimiento similar al de la línea elite, pero con un rasgo adicional (por ejemplo, resistencia a insectos).