Nuevos genes de resistencia en patata

patata
Nuevos genes de resistencia
en patata
La permanente necesidad de satisfacer la demanda de alimento y materias primas
ha sido determinante para que, desde la aparición de la agricultura, se cultivaran y
seleccionaran las plantas de interés. El fin de esa mejora vegetal es obtener
variedades que ofrezcan un mayor rendimiento, calidad nutritiva, así como la
obtención de cultivos resistentes a agentes bióticos o abióticos.
SONIA CASTAÑÓN,
JOSÉ IGNACIO RUIZ DE GALARRETA,
ANA HERRÁN, ENRIQUE RITTER.
NEIKER
TEXTO:
a mejora de plantas actual
(fitomejora) sienta sus
bases en los experimentos
realizados en el siglo XIX por
Mendel, en los que concluyó que
los caracteres de los organismos vienen dados por factores
heredables (genes) dentro de
las características de un individuo (material genético). Así
comenzó el método tradicional
de producción de cultivares mejorados mediante cruzamientos
entre individuos, de la misma
especie o de especies emparentadas. Los individuos sobresalientes se seleccionan y se cruzan, y después de numerosas
tandas de retrocruzamientos,
aunadas a laboriosas pruebas
de campo, se obtiene una generación portadora de la característica deseada que se conoce
como una nueva variedad.
La mejora vegetal tradicional se ha venido practicando
con un éxito innegable, pero
tales métodos son insuficientes para satisfacer las necesidades de alimentos impuestas
por el desarrollo demográfico.
Además, tienen el inconveniente de haber producido variedades que dependen en demasía de abonos agroquímicos,
cuyo uso exagerado daña el
medio. Actualmente, los nuevos desarrollos en biotecnología nos ponen al alcance de la
mano metodologías (ingenie-
L
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sustrai.61
FIGURA 1. QUISTES PRODUCIDOS POR GLOBODERA PALLIDA EN RAÍCES DE UNA PLANTA DE PATATA INFECTADA
ría genética) que facilitan y
aceleran el proceso de obtención de nuevas variedades con
mayores rendimientos. Al tratarse de un proceso totalmente
direccional se disminuye, asimismo, el coste de obtención
de la misma y se facilita la
aparición de especies resistentes a plagas y enfermedades reduciendo también las
pérdidas que ocasionan.
El uso de estas nuevas tecnologías, como la selección
asistida por marcadores,
permite diferenciar y clasificar
individuos en función de una
característica, relacionada directamente con su patrón genético. La ingeniería genética,
permite además la introducción
voluntaria de genes ajenos al
material genético de un individuo, animal o planta que carece
de ellos (transgénico) o la variación de expresión de los que
ya posee (genéticamente modificado).
AGENTES PATÓGENOS:
Globodera pallida y
Phytophtora infestans
Entre los parásitos que atacan
a la patata, Solanum
tuberosum, los nemátodos juegan un papel muy importante
en muchos países. Se conocen
setenta especies de nemátodos
que afectan al cultivo de la
patata. Los más dañinos son los
formadores de quistes como
Globodera pallida (Stone) Behrens, que afecta el rendimiento
de este cultivo en la mayoría de
las zonas de producción del
mundo.
G. pallida o nemátodo del
quiste de la patata se aloja en el
interior de las raíces (endoparásito sedentario), y perma-
nece en el suelo por 5-6 años y a
veces hasta por 20. Cada quiste
joven contiene 200-500 huevos
viables. Después de la siembra, las raíces de la planta
huésped, patata en este caso,
producen exhudados que estimulan la eclosión de los huevos, de los cuales emergen los
nemátodos juveniles que infectan la planta.
Las plantas de patata atacadas por el nemátodo presentan crecimiento y rendimiento
reducidos y, a veces, en suelos
muy infestados, el follaje presenta un ligero amarillamiento.
La manera más simple de
luchar contra estos patógenos,
consistiría en utilizar cultivares
de patata resistentes. Hasta el
presente no existen muchos
cultivares resistentes a los nemátodos debido a su carácter
poligénico. Sin embargo, debido
a la importancia del cultivo de
El objetivo es la búsqueda de nuevos genes de resistencia
en variedades silvestres de patata frente a Globodera pallida
y Phytophtora infestans.
la patata, se están realizando
diversas investigaciones con el
fin de identificar genes de resistencia frente a los nemátodos.
El Mildiu de la patata (Phytophtora infestans): es la enfermedad más importante de este
cultivo, atacando especialmente
en condiciones de humedad, durante el desarrollo de la planta
y en el periodo de almacenamiento del tubérculo. Se forman en las hojas unas manchas
que al principio son pardas y
luego se vuelven negras. Estas
manchas empiezan en los bordes de las hojas y van avanzando hacia el centro de las mismas. Los tubérculos se contaminan al ponerse en contacto con
las hojas atacadas o con el propio hongo que puede estar en la
superficie del suelo. Las patatas
atacadas presentan manchas
blancas en la piel que acaban
por meterse en la carne. Los tubérculos sanos se contagian de
los atacados en el almacén.
La lucha contra el hongo se
lleva a cabo mediante la aplicación de grandes cantidades de
fungicidas, lo que ocasiona un
aumento considerable en los
costes de producción. El uso
abusivo de estos productos provoca daños medioambientales
debidos a la toxicidad de los
mismos mientras se favorece la
aparición de nuevas variedades
resistentes, que hacen aún más
difícil su control.
La lucha directa contra ambos patógenos es uno de los
puntos clave para la mejora de
la producción. Se han llevado a
cabo estudios (Ruiz de Galarreta y col, 1998) para determinar
niveles de resistencia de diferentes variedades de patata
frente a estos patógenos, con el
fin de poder utilizarlas en la generación de nuevas variedades
productivas.
Actualmente, la empresa
NEIKER en colaboración con
otros 4 Institutos de Investigación (Instituto Max-Planck de
Alemania; Institutos de Biotecnología CICVyA-CNIA INTA y
EEA INTA de Argentina; Instituto de Desarrollo Agrícola de
Costa Rica) está llevando a
cabo un proyecto para la identificación de nuevos genes de
FIGURA 2. A. MICROSCOPÍA
P HYTOPHTORA INFESTANS
ÓPTICA DE ESPORÁNGIOS DE
resistencia frente a estos patógenos. La finalidad es desarrollar nuevas variedades transgénicas de patata que disminuyan el uso de fungicidas y
pesticidas, y abaraten los costes de producción a la vez que
disminuyen la contaminación
medioambiental.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
El objetivo de este proyecto es
la búsqueda de nuevos genes de
resistencia en variedades silvestres de patata frente a Globodera pallida y Phytophtora
infestans. Una vez analizados y
localizados se podrá hacer uso
de ellos para obtener nuevas
variedades, cuya resistencia
ante estos patógenos se complemente con una tasa elevada
de producción. Para obtener estas nuevas variedades se podrán utilizar tanto métodos de
mejora tradicional como nuevas tecnologías.
La información genética, el
ADN o ácido desoxirribonucléico, de los diferentes organismos es esencialmente el mismo, simples grupos de instrucciones (genes) que hacen que
las células produzcan las proteínas que son la base de la
vida. Tanto si el ADN se encuentra en un microorganismo, una
planta, un animal o un ser humano, siempre está formado por
los mismos elementos (bases),
y el orden de esos elementos es
lo que determina que un orga-
P HYTOPHTORA
INFESTANS;
B. ASPECTO
QUE PRESENTAN LAS HOJAS DE PATATA INFECTADAS POR
nismo tenga unas características u otras. Del mismo modo,
aquellos genes que confieren resistencia frente a determinados
patógenos son parecidos entre
diferentes organismos. Por tanto, si se conoce la secuencia de
bases de algunos de estos genes
es posible utilizarlos como modelos para detectar nuevas secuencias que confieran los mismos tipos de resistencia. Las resistencias pueden venir
determinadas por uno o más genes, del mismo modo se pueden
deber a variantes alélicas de un
solo gen, de ahí el interés por
analizar todos y cada uno de estos puntos.
Detección de nuevos genes
de resistencia
La síntesis de proteínas del
tipo de las glucanasas, quitinasas, osmotinas, etc. se relaciona directamente con la resistencia frente a determinados
patógenos como hongos y nemátodos. Es de suponer, por
tanto, que proteínas relacionadas con estas posean las mismas propiedades.
La primera fase del trabajo
consiste en la comparación de
secuencias de ADN para establecer un consenso y poder diseñar buscadores específicos
(cebadores) que detecten
nuevos genes de resistencia
en los que se incluyan esas regiones.
Una vez diseñados los cebadores se utilizan para detectar
nuevos genes de resistencia en
plantas de patata silvestres cuya
resistencia frente al hongo o al
nemátodo ya ha sido corroborada. Estos ensayos se realizan
utilizando una técnica denominada PCR o reacción en cadena
de la polimerasa (Sambrook y
col., 1989). Mediante estos ensayos podemos amplificar regiones
de DNA utilizando los cebadores
anteriormente citados, de manera que cuando aparezca amplificación podríamos decir que hemos encontrado un gen que posiblemente confiera resistencia
frente a un patógeno.
Análisis de patrones
de expresión genéticos
Los genes se traducen en proteínas (traducción) pero previamente se pasa por una fase
intermedia en la que la información genética se encuentra
en forma de ARN mensajeros
(transcripción). Sólo cuando
se ha formado un ARN mensajero tiene lugar la síntesis de
proteína.
Si tenemos en cuenta que
la síntesis de estas proteínas de
resistencia es inducida por la
presencia del agente patógeno,
se puede provocar la formación
de estos ARN mensajeros mediante infecciones controladas,
tanto con el hongo como con el
nemátodo. Por tanto, otra alternativa utilizada para detectar nuevos genes de resistencia
es la extracción del RNA mensajero tras una infección controlada y posterior amplificasustrai
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La biotecnología vegetal ofrece la posibilidad
de producir cultivos que tendrán mejor sabor
y que, además, son más saludables.
FIGURA 3. A. ESQUEMA REPRESENTATIVO DE LOS PASOS BIOLÓGICOS NECESARIOS PARA LA PRODUCCIÓN DE
UNA PROTEÍNA A PARTIR DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
ción de fragmentos específicos
mediante la técnica denominada RT-PCR (Sambrook y col.,
1989). En esta técnica se obtiene ADN complementario a partir del ARN mensajero extraído, y posteriormente se amplifican fragmentos específicos, a
partir de este ADN complementario, utilizando los cebadores anteriormente descritos.
De este modo, sólo se analizará
el material genético que se
haya expresado y por tanto en
relación directa con el agente
infectivo.
Otra alternativa basada en
las diferencias de expresión génica en la técnica denominada
cDNA-AFLP. Consiste básicamente en analizar diferencias
de expresión una vez se han eliminado los fragmentos comunes
entre plantas infectadas y plantas sanas. En primer lugar se
obtiene el ADN complementario
de ambas plantas y posteriormente se seleccionan aquellos
fragmentos que solamente se
sinteticen en el material infectado.
Análisis de proteínas
Por último, el análisis también
se puede abordar desde la fase
de proteínas. La síntesis de proteínas resistentes también viene regulada por la infección, es
decir, una vez que el organismo
se ha infectado, éste responde al
50
sustrai.61
ataque con la producción de
proteínas de resistencia que
destruyen al parásito o que impiden que la infección se desarrolle. Es posible entonces, analizar las proteínas que se han
sintetizado en una planta tras
una infección controlada y compararlas con una planta sana.
Una vez establecidas las diferencias se determina la secuencia de bases, que en función del
código genético, puede dar lugar
a esa proteína y se diseñan nuevamente buscadores específicos
para identificar el gen de resistencia que las codifica. De esta
forma se camina marcha atrás
en el ciclo biológico de la información genética, genética inversa.
Obtención de nuevas variedades
resistentes
La determinación de nuevos genes de resistencia se lleva a
cabo de las tres formas antes
mencionadas. A través de los
años, los investigadores científicos han descubierto cómo transferir una porción específica de
ADN (gen) de un organismo a
otro, o de un vegetal a otro. Es
posible, por tanto, identificar
un nuevo gen en una variedad
silvestre de patata que confiera
resistencia frente a Globodera
pallida o Phytophtora infestans
e introducirlo en una variedad
comercial de patata para que
adquiera esa misma resistencia.
El proceso se puede llevar a
cabo mediante los métodos tradicionales de mejora o mediante
nuevas técnicas pertenecientes
a la biotecnología moderna.
En el caso de la biotecnología, el primer paso para transferir la resistencia es cortar el gen
de resistencia del ADN de la
planta silvestre utilizando «tijeras moleculares» (enzimas de
restricción). Este fragmento
de información se introduce
después en una bacteria (Agrobacterium tumefaciens) que posee la cualidad de infectar células vegetales transfiriéndoles el
material genético que lleva (Tavazza y col., 1988).
Las células vegetales se caracterizan, entre otras cosas,
por poseer la capacidad de dar
lugar a cualquier tipo de célula
vegetal (totipotencia) mediante el uso de reguladores específicos (hormonas), proceso
que se conoce con el nombre de
transformación. Por tanto,
una vez que la célula ha adquirido el nuevo gen podemos hacer que se multiplique dando
lugar a una nueva planta. La
nueva planta poseerá todos y
cada uno de los genes que ya
poseía más el nuevo gen de resistencia, será una planta
transgénica. Los esfuerzos se
dirigen a conseguir que las
plantas que son mejoradas
sean iguales a las plantas que
se cultivan en la actualidad, excepto por el carácter benéfico
que se le ha añadido, como puede ser su resistencia a un patógeno determinado.
CONCLUSIONES
Principalmente, para mejorar la
producción se obtienen plantas
resistentes a enfermedades, parásitos, condiciones ambientales
desfavorables, plantas que producen mejores frutos, plantas
que presentan resistencia a un
pesticida de amplio espectro, o
plantas que puedan producir
nuevas sustancias o en más cantidad, empleadas como medicamentos, materias primas, etc.
Los beneficios de la biotecnología, hoy y en el futuro, son casi
ilimitados. La biotecnología vegetal ofrece la posibilidad de
producir cultivos que tendrán
mejor sabor y que, además, son
más saludables.
La obtención de nuevas variedades de patata que presenten resistencia frente a Globodera pallida y Phytophtora infestans incrementa el valor
agrícola de los cultivos al permitirles un aumento en la producción a la vez que reducen el
uso de productos agroquímicos
o fertilizantes. Esto hace que
sean necesarias las investigaciones para detectar nuevos genes de resistencia y del mismo
modo, que puedan utilizarse
para la creación de nuevas
plantas.
Algún día, las semillas se
convertirán en centros de producción, de gran eficiencia energética y favorable al medio ambiente, incluso capaces de manufacturar productos que hoy
provienen de recursos no renovables.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos la colaboración de Esther Ceballos e Imanol Barrena por
la concesión de las fotos de Globodera pallida y Phytophtora infestans.
BIBLIOGRAFÍA
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Plant Science. 59: 175-181.
DIRECCIONES ÚTILES DE INTERNET:
www.monsanto.es/index.html
www.biología.iztacala.unam.mx
Este proyecto está financiado por
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