Por Inga Richter
Aun cuando los métodos de la tecnología genética para el cultivo de plantas hayan tenido ya mucho éxito, se requiere todavía mucho esfuerzo de investigación para garantizar la alimentación de la población mundial. «En vista del crecimiento de la población mundial, es indispensable lograr una producción más eficiente de las plantas cultivadas», explica Maarten Koornneef, director del Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de los Cultivos), de Colonia.
En la actualidad poblamos la Tierra más de seis mil 700 millones de seres humanos; cada segundo nacen, en promedio, cinco más. Para hacer frente a este crecimiento, la producción mundial de alimentos tiene que aumentar. Pero sólo alrededor de la quinta parte de la superficie terrestre se puede aprovechar como potencial superficie agrícola.
De hecho, la superficie disponible por persona para la producción de alimentos disminuye desde hace años, debido a la expansión de las zonas pobladas y de las vías de tráfico. Y eso significa que hay que aumentar el rendimiento por unidad de superficie.
VISIONES FUTURISTAS PARA EL CULTIVO DE PAPAS
Uno de los escenarios futuristas en que trabajan los investigadores podría presentarse de la siguiente manera: en la empresa SaKa Pflanzenzucht GbR de Windeby, en el estado federado alemán de Schleswig-Holstein, todo gira en torno al solanum tuberosum, la papa. Su nuevo éxito de cultivo se llama «Sternstunde» («momento estelar»). Este tipo no sólo tiene un contenido de nutrientes notablemente mayor, sino que además es resistente contra el peor enemigo de la papa: el hongo Phytophthora infestans, que hace que las partes de la papa que se encuentran sobre la superficie terrestre se descompongan por lo que se denomina también mildiu o tizón tardío.
Jens Lübeck, experto en cultivos de la SaKa, está revisando los informes de la cosecha y comprueba que, efectivamente, en el año 2020 fue posible aumentar el índice de rendimiento en un 40 por ciento, y se logró reducir considerablemente el uso de pesticidas: si hasta hace pocos años se requerían entre 8 y 14 aplicaciones de fungicida, ese año sólo fueron necesarias dos.
En colaboración con el equipo de investigación del Instituto Max Planck, dirigido por Christiane Gebhardt, este cultivador logró descubrir importantes genes de resistencia contra el mildiu y reproducir con éxito papas dotadas de ellos… Pero la investigación no ha llegado todavía muy lejos.
La papa es, después del trigo, el arroz y el maíz, la cuarta planta cultivada más importante. Aun cuando no sea el remedio para todos los males, el cultivo de la papa podría contribuir a solucionar una parte de los problemas de alimentación que afectan a muchos países del mundo en los que la malnutrición y la escasez de alimentos están muy extendidas.
Cada año se cosechan en todo el mundo alrededor de 325 millones de toneladas de los diferentes tipos de papa. Esto es el resultado de varios siglos de cultivo selectivo. Ya las papas cultivadas por los indígenas sudamericanos estaban altamente desarrolladas, adaptadas a las más diversas ubicaciones de cultivo y a distintos usos, y eran muy diferentes a las formas silvestres, sumamente venenosas y de bulbos diminutos.
La papa se convirtió en el principal alimento de la Europa del siglo XIX. Y es que, además de las calorías necesarias, suministra también oligoelementos, vitaminas y proteínas de gran calidad. A mediados del siglo XIX, las enfermedades de la papa traídas de América tuvieron consecuencias nefastas sobre las cosechas: millones de personas murieron de hambre, sobre todo en Irlanda, donde la dependencia de la papa era especialmente grande.
«Las pérdidas de cosechas provocadas por el mildiu pueden alcanzar también hoy en día el cien por ciento, si no se utiliza una amplia gama de fungicidas», dice Jens Lübeck. Esto cuesta a los agricultores, sólo en Alemania, 88 millones de euros al año. Además, los pesticidas químicos contaminan las aguas freáticas y el suelo, y son perjudiciales para la diversidad de las especies.
MENDEL REVOLUCIONA EL CULTIVO AGRÍCOLA
Teniendo esto en cuenta, sería un gran avance que se pudieran cultivar tipos de papas que produjeran un gran rendimiento y, al mismo tiempo, fueran resistentes a las plagas, como el tipo de papa imaginario «Sternstunde» que mencionábamos al principio. El cultivo clásico sigue siendo trabajoso, aunque ya no tan lento como hace diez mil años, cuando nuestros antepasados empezaron a volverse sedentarios y a cultivar plantas silvestres comestibles.
Con el paso del tiempo empezaron a diferenciar entre los ejemplares que sabían bien y los amargos, o entre los que producían un gran rendimiento y los que crecían poco, y descubrieron que el cultivo selectivo de ejemplares individuales con propiedades favorables producía los mejores resultados en las cosechas.
«Fue Mendel el que revolucionó el cultivo científico de las plantas y el aumento del rendimiento que se puede lograr con él en la agricultura», cuenta Christiane Gebhardt. Cuando en 1866 Johann Gregor Mendel traspasó el polen de las plantas de guisantes con retoños rojos a los cortes que había hecho en las que tenían retoños blancos, en el jardín del monasterio de Santo Tomás de Alt Brünn, el objetivo de sus experimentos eran las características exteriores reconocibles, los fenotipos.
Este monje, que sería posteriormente conocido como el «padre de la Genética», no sabía nada aún sobre los secretos moleculares de los ácidos nucleicos, su estructura y sus efectos. A pesar de ello, formuló las primeras reglas sobre la actuación de los verdaderos gobernantes de la vida: los genes, y dio así nuevos impulsos a los cultivos; por fin se podían unificar en un solo descendiente, mediante el cruce sistemático, las características de muchas plantas individuales diferentes.
LA INDIVIDUALIDAD, PEQUEÑA PERO IMPORTANTE DIFERENCIA
Pero sigue siendo necesario seleccionar en varios ciclos los descendientes que poseen la combinación deseada de las características de los padres. En una selección en la que se busca resistencia, esto se puede realizar seleccionando en un invernadero o en el campo las plantas no afectadas por los gérmenes patógenos; las personas experimentadas reconocen las plantas enfermas por sus hojas marchitas o sus partes muertas. Otras características, como por ejemplo el contenido de nutrientes, no se pueden seleccionar tan fácilmente. Por tanto, lo ideal sería leer la predisposición de la planta directamente en sus genes, por así decirlo, sin pasar por el fenotipo. De este modo se eliminaría una gran parte del laborioso trabajo de selección para el cultivo.
Los genes determinan las características que presenta una planta: si crece rápida o lentamente, si tolera bien los periodos de sequía, si es resistente a determinadas enfermedades, y las sustancias que contiene. Sin embargo, tras 30 años de investigación del genoma de las plantas, aún no se ha podido descifrar el secreto de su variedad genética. Naturalmente, se sabe desde hace mucho que las nuevas combinaciones de células ovulares y espermáticas de los padres determinan, cada vez de nuevo, las características que se heredan, y también que existen diferentes tipos de todos los genes, los denominados alelos.
No obstante: «las papas sólo tienen sexo una sola vez en la vida», explica Lübeck. «Después, la reproducción se desarrolla vegetativamente a través de los bulbos», continúa diciendo el cultivador. En los clones de este tipo no tiene lugar ya ninguna nueva combinación de cromosomas. Pero, ¿por qué contienen los bulbos de un tipo mucho almidón, mientras que un clon hermano produce menos? ¿Por qué un clon es más resistente al Phytophthora que otro?
Gebhardt lo explica de la siguiente manera: «La pequeña diferencia entre los individuos de una especie viene dada por mutaciones puntuales». El término científico inglés para ello es Single Nucleotide Polymorphism (polimorfismo de nucleótido simple, SNP). Se trata de una serie de intercambios aleatorios de bases que se producen una y otra vez durante la duplicación de la secuencia de ADN, incluso cuando el organismo se reproduce de forma asexual. «En el genoma humano, aproximadamente una de cada mil bases está modificada; en el genoma de la papa, alrededor de una de cada 50», explica la investigadora.
MARCADORES PARA LA BÚSQUEDA DE GENES FAVORABLES
La mayoría de estas mutaciones no tienen ningún efecto; algunas, sin embargo, pueden tener consecuencias negativas, mientras que otras favorecen las características positivas. Y son precisamente esas mutaciones puntuales positivas las que buscan afanosamente los científicos de Colonia. En vista de los mil millones de pares de bases y de los alrededor de 30 mil genes que conforman el genoma de la papa, se trata de una búsqueda muy ardua.
Con sus análisis genéticos, Gebhardt quiere crear las bases para una selección apoyada por marcadores, abreviada MAS (marker assisted selection). La premisa para la MAS es el desarrollo de marcadores diagnósticos de genes, recortes de ADN producidos artificialmente, que representan secciones de ADN específicas y las hacen visibles; es decir, las «marcan».
Estas secciones de ADN están repartidas como marcadores de campo a través del material genético de las plantas. Por lo general, no muestran ningún rasgo fenotípico. El factor decisivo es que se encuentran en las proximidades de los denominados Quantitative Trait Loci, abreviados QTL, y que, por tanto, pueden servir como indicación de la existencia de determinados genes.
EL CULTIVO DE PRECISIÓN AHORRA TIEMPO Y COSTOS
Mediante los recortes de ADN artificiales se pueden buscar en el genoma de la planta determinadas variantes de genes, cuya existencia o ausencia indica la característica de la planta viva individual que se debe estudiar. El análisis del material genético vegetal sirve para reunir a la pareja que se debe unir y para seleccionar a los descendientes correctos. Este procedimiento se describe con los términos «cultivo de precisión», precision breeding, o «cultivo apoyado por marcadores». La ventaja de MAS es que teóricamente se puede determinar ya en los embriones si los ejemplares poseen o no la característica deseada. Se elimina así el trabajo de selección, que cuesta mucho tiempo, los costos se reducen, y se minimiza el uso de pesticidas, al menos teóricamente.
A pesar de que, para satisfacción de la industria de la salsa de tomate, ya ha sido posible cultivar tomates con un mayor contenido de azúcar, así como un tipo de arroz menos sensible a las inundaciones, «el cultivo de precisión en relación con las papas es más exigente», comenta Lübeck. La genética de las papas es mucho más compleja. Mientras que los tomates y el arroz tienen sólo dos juegos de cromosomas y una o dos variantes (alelos) por gen, la papa tiene cuatro juegos de cromosomas con hasta cuatro alelos distintos por gen. Además, es muy poco habitual que las características que se buscan se manifiesten en un solo gen. «Más de 50 genes pueden condicionar una característica de resistencia que denominamos, por tanto, característica cuantitativa», dice Gebhardt. Sería fantástico conocer los diez más importantes entre ellos.
La bióloga molecular señala hacia un mapa de Alemania que cubre una gran superficie de la pared del corredor del instituto. «Nosotros construimos nuevos mapas» comenta Gebhardt. La Tierra ya se ha medido por completo; ahora les toca a los genomas. En la pared de su oficina cuelgan representaciones esquemáticas en formato DIN A4 de los doce cromosomas de la papa, bastoncillos largos en los que hay dibujadas barras verdes o azules: ésos son los QTL ya identificados. Ellos designan las áreas del ADN que contienen genes para los que se pudo comprobar en estudios anteriores una influencia mensurable sobre el rasgo de una característica fenotípica.
Los cromosomas están rodeados de flechas finas y de combinaciones de letras y cifras de distintos colores. GPA5, por ejemplo, aparece en rojo, R1 en verde y GP179 en negro. «El negro identifica marcadores ADN sin un significado biológico especial», explica Gebhardt. No obstante, estos marcadores forman parte de la estructura básica de los mapas de genes, y son en este sentido comparables con los grados de latitud y longitud de un mapa del mundo.
MAPAS DE GENES PARA UNA EXPEDICIÓN EN EL GENOMA
Se puede crear un mapa de genes de este tipo para cada uno de los cromosomas de la papa. Los marcadores están alineados en ellos como las perlas en un collar. Entre ellos se deben localizar las características: en rojo aparecen, por ejemplo, las ubicaciones de genes relevantes para la resistencia a los nematodos; en verde, las relacionadas con la resistencia a los hongos. Para poder establecer un enlace entre estos mapas de genes y las plantas del campo, el equipo de trabajo de Colonia recibe material de muestras de las empresas de cultivo de plantas, como la SaKa Pflanzenzucht GbR de Windeby.
Allí se siembra en el campo, en la primavera, una población de ensayo de una media de 200 plantas. Los empleados cortan una hoja fresca de cada una de las plantas numeradas, para aislar el ADN. Después, continúan observándose las plantas para comprobar si se produce una infestación con parásitos como, por ejemplo, el Phytophthora. Si no es el caso, se produce una infestación artificial para poder evaluar los efectos fenotípicos del patógeno sobre cada planta individual a lo largo de un par de semanas. La calificación va de 1 a 9, porque las características cuantitativas sólo se pueden registrar en varios niveles intermedios. Son muy pocos los casos en los que las características son tan puras o monogenéticas como la característica del color de los retoños de los guisantes de Mendel. El 1 es la calificación más baja, lo que significa que la planta respectiva sería sumamente propensa a las infestaciones con Phytophtora.
Las hojas secadas por congelación viajan 532 kilómetros a través de Alemania y se preparan en el laboratorio de Colonia. Algunas partes del ADN aislado se reproducen mediante el PCR (del inglés Polymerase Chain Reaction), una especie de copiadora bioquímica. Finalmente, enzimas de restricción recortan el ADN en los lugares con una secuencia de bases específica o no, si en esa secuencia de bases se encuentra un SNP, un intercambio de bases individual. Eso provoca que determinados fragmentos de ADN sean más largos en ese individuo. En la electroforesis en gel que se realiza a continuación, estos fragmentos más largos se desplazan –impulsados por un campo eléctrico– más lentamente que los fragmentos más cortos. Si observamos nuestro marcador para la resistencia, una característica desfavorable avanza, por ejemplo, más lejos que una favorable.
Si la característica es favorable o no, sólo se puede aclarar mediante la comparación con la documentación del cultivador sobre las plantas de ensayo correspondientes. Los cultivadores comprueban la calidad de las plantas de ensayo y de sus bulbos. Esos análisis fenotípicos deben realizarse frecuentemente, en diferentes lugares y en momentos distintos, a lo largo de varios años. Después de todo, el efecto de los genes sólo se puede definir adecuadamente en el marco de una reacción frente a un entorno determinado.
IMPULSO FINANCIERO PARA MÁS COOPERACIONES
A las evaluaciones del genotipo y del fenotipo se suma el cálculo estadístico, necesario para establecer una relación entre las características y las secciones de ADN. Miles de bandas se estudian mediante un análisis por asociación para comprobar con qué características están correlacionadas. Si se tiene éxito, el siguiente paso es continuar reproduciendo las plantas cuyos análisis de laboratorio han superado las comparaciones estadísticas y fenotípicas y esperar para constatar si se obtienen los resultados deseados.
«El cultivo es un proceso muy lento», comenta Lübeck. Son necesarios unos diez años para crear un solo tipo de papa. MAS podría acelerar ese proceso. Hasta hace poco se conocían sólo pocos marcadores diagnósticos que permitían identificar características monogenéticas, pero el programa de investigación GABI (Genomanalyse im biologischen System Pflanze, Análisis del Genoma en la Planta como Sistema Biológico) ha supuesto un gran impulso en los últimos ocho años. Estos proyectos, incentivados por el Ministerio de Educación e Investigación alemán (BMBF por sus siglas en alemán) hacen posible la colaboración entre centros de investigación, como el Instituto Max Planck de Colonia, y empresas de cultivo de plantas, y han dado como resultado el descubrimiento de marcadores diagnósticos con los que se pueden identificar las características de las papas determinadas por varios genes.
«Uno de los mayores éxitos logrados hasta ahora para los programas de cultivo económicamente relevantes es un marcador molecular que diagnostica la resistencia contra el nematodo Globodera pallida«, dice Lübeck. Los quistes de este nematodo pueden sobrevivir en el suelo hasta 20 años. Si las papas se siembran en un área infestada, las larvas penetran en las raíces y se apoderan de sus nutrientes. Como consecuencia, la planta muere.
PRIMEROS ÉXITOS CONTRA LOS ENEMIGOS HERBÍVOROS
En la lucha contra los numerosos enemigos de la papa se han logrado nuevos triunfos: «Entre tanto, hemos descubierto un primer gen para la resistencia de campo contra el mildiu», explica Gebhardt. El gen tiene la abreviatura StAOS2 (por Solanum tuberosum Allene Oxide Synthase 2). La investigadora de cultivos piensa que en unos cinco años más, el genoma de la papa estará completamente descifrado, lo que será de gran ayuda a la hora de buscar nuevos genes. Jens Lübeck parte de la base de que próximamente se descubrirán más marcadores para los genes de resistencia. Cuando mira el mapa de genes de la oficina de Christiane Gebhardt, se siente optimista. Es posible que en el futuro existan realmente «papas a la carta genética».
GLOSARIO
Fenotipo/rasgo fenotípico
Característica exterior reconocible de un
organismo, influenciada por los genes y por el medio ambiente.
Genotipo
El juego individual de genes que posee un organismo.
Marcador
Acepción general: un medio auxiliar bioquímico para determinar características específicas. En este caso especial: una sección de ADN que se ubica en una secuencia conocida y localizada con exactitud del material genético, y sirve de ayuda en la búsqueda de genes.
MAS
Abreviatura de «marker assisted selection»: búsqueda de características relevantes para el cultivo mediante marcadores genéticos.
Quantitative Trait Locus Mapping
Un método para buscar las ubicaciones de los genes que influyen en una característica.
