El potencial de la biotecnología agrícola. Programa

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O CTEMA
T U B RLIBRE
E
No. 218
EL POTENCIAL DE LA BIOTECNOLOGÍA
AGRÍCOLA Programa Universitario de Alimentos, UNAM
EL POTENCIAL DE LA BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA
Las promesas de la biotecnología agrícola residen
en aumentar la productividad y reducir costos, generar innovaciones y mejoras en los alimentos, conducir
prácticas agrícolas más “ecológicas”; contribuir, en
suma, a la agricultura sostenible, la que utiliza los recursos con respeto al medio ambiente, sin hipotecar a
las generaciones futuras. Pero, además, la manipulación genética de plantas tendrá un impacto en otros
sectores productivos como la floricultura y jardinería,
industria química e industria farmacéutica.
nfo
A
La biotecnología se ha desarrollado en un lapso de
tiempo muy corto, hasta convertirse en lo que es actualmente, una industria que proporciona productos a
sectores muy variados tales como: textil, agrícola, salud, medio ambiente, marino, pecuario y alimentación,
entre otros. Es importante resaltar que en los últimos
años, los avances más notables se han realizado en el
sector de las biotecnologías agrícolas, que se derivan
de la investigación sobre los mecanismos genéticos de
los que dependen determinados rasgos económicamente importantes para los cultivos.
Programa Universitario de Alimentos, UNAM
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d
oe
nI
Desde el redescubrimiento de las leyes de Mendel a
principios de siglo XX, la mejora de las plantas de
cultivo dejó de ser meramente empírica y se convirtió
en científica. Las variedades se seleccionan por ciclos
de polinización cruzada (hibridación), escogiendo los
ejemplares con las características más apropiadas.
Se han ido creando variedades selectas que han terminado desplazando a las antiguas. Posteriormente
se introdujo la mecanización en la agricultura, junto
con la aplicación de productos químicos (fertilizantes,
plaguicidas, herbicidas). La Revolución Verde (años
60), con sus nuevas variedades híbridas, sus prácticas
intensivas, con abonos y pesticidas, llevaron a importantes incrementos de producción en países que antes
tenían graves problemas de suministro de alimentos
(China, India, partes de Latinoamérica).
Las biotecnologías agrícolas se han ido desarrollando
progresivamente, a partir del siglo pasado, pero en
los últimos decenios los progresos se han acelerado
hasta alcanzar numerosos logros científicos e impresionantes avances tecnológicos. Algunos de estos logros
y avances, se están usando con más frecuencia en los
países en desarrollo, especialmente las técnicas basadas en el cultivo de tejidos (tales como la micropropagación), la mutagénesis, la hibridación interespecífica
o intergenérica, la modificación genética asistida por
marcadores, el diagnóstico de las enfermedades, la
bioproctección y la biofertilización.
bli
Actualmente la agricultura está entrando en una nueva era, de la mano de los avances biotecnológicos,
con un papel central de la genética molecular. Esto
debido a un auge de los conocimientos básicos de
biología vegetal y a la aplicación de las técnicas de
Ingeniería Genética. A partir de ahora, la “revolución
agrícola” va a depender menos de innovaciones mecánicas o químicas, y va a estar basada en el saber
científico, en el conocimiento de las técnicas moleculares y celulares.
Al igual que otras tecnologías que están madurando, las biotecnologías agrícolas abarcan una amplia
gama de técnicas aplicables a la producción agrícola,
desde las menos complejas, como la micropropagación, hasta las más sofisticadas, como las aplicaciones
de la genómica, ingeniería genética o modificación
genética y métodos no transgénicos. El uso de estas
tecnologías, ha registrado experiencias muy variadas
en los diferentes países donde se han utilizado.
Las biotecnologías agrícolas disponibles, se pueden
clasificar de acuerdo a su finalidad principal, por
ejemplo: la creación de una nueva variedad genética,
la clasificación y selección de variantes favorables, o
el mejoramiento de los sistemas de producción y manejo de cultivos o sus derivados.
* Colaboración de AgroBio México, A.C.
Pu
M en C. Marcela Castillo Figa
Licenciada en Biología, egresada de la Facultad de Ciencias, UNAM; y
Maestra en Ciencias por el Instituto de Biotecnología, UNAM. Ha realizado diversos cursos en temas como: aprovechamiento de recursos naturales,
biotecnología, genética, biología molecular, por señalar algunos. De igual
forma ha participada como responsable en varias investigaciones y coordinado cursos para el sector gobierno y la industria de alimentos.
42
Hasta ahora, las aplicaciones principales de las técnicas de mejoramiento y manejo de cultivos han correspondido a las biotecnologías no transgénicas que
abarcan toda la gama de características agronómicas y de prácticas agrícolas de interés para todos los
Las biotecnologías más recientes para el sector agrícola que se pueden utilizar principalmente en la producción de alimentos y agricultura son:
Las biotecnologías basadas en
marcadores moleculares:
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Las isoenzimas se identifican mediante el proceso
denominado “electroforesis”, que consiste en colocar
un extracto proteico del material a analizar en los
pocillos de un soporte (papel de celulosa o un gel
hecho de agarosa o poliacrilamida) que se somete
a un campo eléctrico durante varias horas para que
se separen las proteínas de acuerdo con su tamaño o
carga eléctrica. Las diferencias en la movilidad electroforética de las isoenzimas son resultantes de las diferencias en el tamaño de las secuencias del ADN que
codifican tales enzimas.
Marcadores de ADN
nI
Los marcadores moleculares son definidos como
cualquier diferencia no típica controlada genéticamente.
Se puede considerar que cualquier molécula orgánica
o inorgánica que sea característica de un organismo
o proceso es un marcador. Los marcadores idóneos
son los de ADN, siendo válido cualquier fragmento
que se encuentre muy cerca del gen o de la secuencia
de interés y que lógicamente no afecte al carácter
en estudio (SIDTA, 1999). Un marcador es cualquier
molécula de proteína, ARN, o ADN de tamaño o
peso molecular conocido que sirve para monitorear
o calibrar la separación de las mismas utilizando
electroforesis o cromatografía, y un marcador genético
como cualquier gen cuya expresión permite un efecto
fenotípico que puede ser detectado fácilmente, por
ejemplo: un gen que ocasiona resistencia para algún
antibiótico.
mediante los procesos de transcripción y traducción,
por lo que se ven menos influidos por el ambiente.
Las isoenzimas fueron descubiertas por Hunter y Markert en 1957 y son diferentes variantes moleculares
de una misma enzima presentes en una especie, las
cuales desempeñan la misma actividad pero pueden
tener diferentes propiedades.
nfo
A
agricultores, principalmente de los países en desarrollo. Un ejemplo es la mutagénesis, comúnmente usada
en los países en desarrollo y que en los últimos sesenta años ha permitido obtener más de 2200 variedades de cultivos en todo el mundo. Otro ejemplo es la
hibridación interespecífica, que permite la combinación de caracteres favorables de diferentes especies,
la cual se ha usado con resultados satisfactorios. Sin
embargo, los programas de hibridación interespecífica pueden ser lentos y requerir una gran cantidad de
conocimientos científicos y mano de obra calificada.
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Los marcadores de ADN constituyen la nueva generación de marcadores moleculares y solucionaron el
problema que tenían las isoenzimas. Se basan fundamentalmente en el análisis de las diferencias en pequeñas secuencias, para ello son muy diversas y dan
el nombre a los distintos tipos de marcadores, los cuales pueden ser de carácter dominante o codominante
(Karp y Edwards 1998). Algunos ejemplos de ellos
son: Polimorfismo de la longitud de los fragmentos de
restricción (RFLP, Figura 1), Amplificación aleatoria del
ADN, polimórfico (RAPD), Polimorfismo en la longitud
de los fragmentos amplificados (AFLP), Microsatélites
o Secuencias simples repetidas (SSR), Amplificación
aleatoria del polimorfismo de microsatélites (RAMPO)
etc. (Rallo et. al., 2002).
bli
Se habla de marcadores genéticos cuando se transmiten según las leyes básicas de la herencia mendeliana, por lo que es importante destacar que no todos los marcadores moleculares pueden considerarse
como genéticos. Existen dos tipos de marcadores moleculares: los marcadores bioquímicos y los marcadores de ADN.
Marcadores Bioquímicos
Pu
Los marcadores bioquímicos incluyen a las proteínas y
las isoenzimas o aloenzimas y constituyen la primera
generación de marcadores moleculares. Las proteínas
son los productos primarios de los genes y se forman
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Figura 1. Esquema para ejemplificar la técnica para
la identificación de polimorfismo de la longitud de
los fragmentos de restricción (RFLP por sus siglas en
ingles).
cies hortícolas (Tabla II) y como marcadores ligados a
plagas y enfermedades en distintos cultivos (Tabla III).
Tabla II. Ejemplos y aplicaciones de los marcadores
moleculares en especies hortícolas
Especie
corte con
enzimas de
restricción
extracción de
ADN
muestra
Objetivo
Técnica
Apium graveolens
(Apio)
Estudios de organización y caracterización de germoplasma
RAPD
Brassica oleracea
(Brócoli)
Calcular la similitud genética entre 45
genotipos de Brassica
RFLP
Allium cepa
(Cebolla)
Estimación de la diversidad genética
entre el género Allium
RAPD y
RFLP
transferencia a
una membrana
Southem blot
Tabla III. Algunos ejemplos reportados de marcadores ligados
a resistencia a enfermedades en cultivos
Cultivo
Patógeno
Gen de
resistencia
Técnica
Lycopersicon
esculentum
(Tomate)
Virus de la peste negra del tomate
Sw- 5
RAPD
Lactuca
serriola
(Lechuga)
Bremia lactucae
Dm
17 y 18
RAPD
RFLP
Solanum
tuberosum
(Papa)
Globodera
rostochiensis
H1
RFLP
B
an
ta
pl
A
an
ta
mu
es
tra
separación de
los fragmentos
de ADN por
electroforsis
pl
lavado de
membrana
nfo
A
pegado de
sonda especifica
radioactiva
detección de patrones
por exposición en
pelicula de rayos x
comparación de patrones de ADN
nI
Fuente:http://www.scq.ubc.ca/dna-fingerprinting-in-thestandardization-of-herbs-and-nutraceuticals/)
Uso de los marcadores moleculares
Los marcadores han sido usados con varios fines. En
las siguientes tablas, se presentan ejemplos reportados en la literatura sobre el uso de estos marcadores
moleculares; en especies frutales (Tabla I), en espe-
Pu
bli
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Como se observa en las tablas anteriores, los usos
más frecuentes corresponden a la estimación de la
diversidad genética intra e inter poblacional, ya sea
en especies cultivadas o silvestres, en el desarrollo de
mapas de ligamiento, para estudio
Tabla I. Ejemplos y aplicaciones de los marcadores moleculares en especies frutales
de las relaciones filogenéticas entre
Especie
Objetivo
Técnica
especies, también como herramienta
Cocos nucifera L.
Análisis de la diversidad genética
RFLP
para determinar la mejor estrategia
Evaluar herramientas que permitan medir la diversidad
Persea americana L
SSR
de conservación de recursos genétigenética en plantaciones a través de los años
cos, por ejemplo: en la formación de
Posible uso de marcadores relacionados a resistencia de
RFLP, RAPD
Theobroma cacao L.
enfermedades
y AFLP
colecciones nucleares, en la identiTheobroma cacao L.
Determinar la distancia genética entre materiales
RAPD
ficación de duplicados, entre otros.
Desarrollo de un mapa de ligamiento que comprenda
Sánchez (2002) menciona que los
Vasconcellea spp.
RAF
características ligadas a la resistencia del virus PRSV-P
marcadores moleculares son la princiDetección de variantes en plantas cultivadas in vitro,
Isoenzimas,
pal herramienta utilizada hoy en día
Ananas comosus
ya sea, en un sistema de inmersión temporal o en uno
RAPD
estacionario
en microorganismos, plantas y animaIdentificación de materiales y desarrollo de mapa de
les para: caracterización de germoMangifera indica
AFLP
ligamiento genético
plasma, identificación de genotipos,
Determinación del sexo en plántulas de tres cultivares
determinación de pureza, análisis
Carica papaya
RAPD
comerciales
de diversidad genética, mejoramienRFLP, AFLP,
to genético asistido por marcadores,
Cucumis melo L.
Construcción de un mapa de ligamiento
RAPD, SSR,
Isoenzimas
aislamiento y caracterización de geCarica papaya
Identificación del sexo en plántulas
SSR
nes específicos para usar en transMusa spp.
Investigar origen del banano comercial cultivado
RFLP
formación genética, construcción de
Garcinia mangostana L. y
mapas de ligamiento, en la identifiAnálisis de diversidad genética
RAF
Garcinia spp.
cación de transformantes individuales
Artocarpus altilis
Determinar relación con las especies emparentadas: A
AFLP
o su progenie, entre otros.
(Fruta de pan)
camansi y A. mariannensis
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Las plantas transgénicas han sido objeto de amplias
polémicas, aunque en la actualidad cubren extensas
superficies en algunas partes del mundo. De acuerdo
a la información más reciente, publicada por el International Service for Acquisition of Agri-Biotech Applications (ISAAA), en el año 2010 los cultivos transgénicos cumplieron 15 años de ser comercializados. El
2010, registró un incremento del 10 por ciento en las
hectáreas sembradas con transgénicos respecto al
2009; se sembraron 148 millones de hectáreas (Figura 3).
El número de países que siembra cultivos biotecnológicos suma ya 29 (10 industrializados y 19 en vías de
desarrollo), estos países concentran al 59 por ciento
de la población mundial. Esto no implica que el consumo sea únicamente en esos países ya que otros 30
países importan regularmente productos biotecnológicos, lo que significa que actualmente 59 países han
aprobado y regulan su uso, ya sea para plantación o
importación. El hecho de que 59 países se encuentren
en esta situación se traduce en que el 75 por ciento de
la población mundial podría tener acceso o contacto
con algún derivado de los cultivos transgénicos.
nI
Se refiere específicamente a organismos originados
en procesos en los que no interviene la reproducción
sexual. En otras palabras, un organismo genéticamente modificado (OGM) es aquel organismo cuyo genoma (es decir, el conjunto de todos los genes que
posee, que se repiten -con alguna excepción- en cada
una de sus células) fue alterado por procedimientos
de laboratorio con el propósito de conferirle alguna
característica deseable, como por ejemplo: la resistencia a plagas o heladas. Las técnicas de laboratorio que permiten realizar esta manipulación genética
se denominan, genéricamente, ingeniería genética, y
el resultado de su aplicación es alterar el material
hereditario, contenido en el ADN (ácido desoxirribonucleico) de las células, para que un organismo o una
población adquieran los rasgos que se busca conferirles. El genoma de un OGM incluye genes de otra
especie, que puede incluso pertenecer a otro reino de
la naturaleza, por eso se lo denomina también organismo transgénico. Por ejemplo: se ha obtenido una
variedad de papa que sobrevive a las heladas porque tiene incorporado un gen de un pez que habita
en aguas muy frías y que lleva la información para
producir una proteína anticongelante.
• Los obtenidos mediante “transferencia estricta”, en
que se transfieren genes de una especie vegetal a
otra.
• Los obtenidos mediante un “ajuste”, en que se manipulan genes ya presentes en el genoma de la
planta para modificar el grado o la modalidad de
expresión.
nfo
A
Cultivos modificados genéticamente
oe
Puede sernos útil distinguir entre tres tipos de cultivos
modificados genéticamente.
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• Los obtenidos mediante “transferencia amplia”, en
que se transfieren a plantas genes de organismos
provenientes de otros reinos (por ejemplo, bacterias, animales) (Figura 2)
Figura 2. Diagrama de “Transferencia amplia”, en que se
transfieren a plantas genes de genes de bacterias.
Figura 3. Gráfica con el número de hectáreas de cultivos transgénicos sembrados al 2010 y marcados en
verde los 29 países que los siembran actualmente.
ÁREA GLOBAL DE CULTIVOS BIOTECNOLÓGICOS
Millones de Hectáreas (1996-2010)
Cultivo de tejidos y
celúlas
bli
Bacteria
Propagación de
plantas
Extracción de ADN y
aislamiento
Pu
Clonación y diseño de
Genes
Transformación
Fuente:http://www.scq.ubc.ca/transgenic-crops-how-genetics-is-providing-new-ways-to-envision-agriculture/
160
140
Hectáreas totales
Industrial
Desarrollo
29 paises biotecnológicos
120
100
80
60
40
20
0
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Fuente: http://www.isaaa.org
45
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En el futuro cercano se esperan grandes lanzamientos. Uno de ellos es el arroz dorado -Golden Riceque se diferencia de otros desarrollos por no estar
enfocado en su desempeño en campo (plagas, insecticidas) sino a resolver problemas de déficit nutricional en humanos (Figura 5). Las modificaciones que
contiene este arroz, están diseñadas para producir
una acumulación de beta caroteno (precursor de la
vitamina A) en los granos. La importancia de este
desarrollo y de acuerdo a cifras de la OMS, la deficiencia de vitamina A (VAD) causa la ceguera de
250,000 a 500,000 niños al año.
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A
Por otro lado, la tendencia en el campo, según cifras
del mismo reporte (James, 2010) es a la alza en cuanto a la adopción y uso de esta tecnología. Tan sólo
en el 2010, se tiene registrado que 15.4 millones de
campesinos, principalmente de pocos recursos en países en desarrollo, plantaron semillas biotecnológicas
por decisión propia, es decir, los beneficios biotecnológicos versus las variedades tradicionales se perciben y son significativos. En ese sentido, los beneficios
del uso de las cosechas biotecnológicas (1996-2009),
según señala el reporte, han contribuido a la sustentabilidad y cambio climático: incrementan la producción
de cultivos y valor en 65 miles de millones de dólares,
producen un mejor ambiente ya que permiten ahorrar
393 millones de kilogramos de pesticidas. Tan sólo
en 2009, permitieron reducir las emisiones de CO2
en 18 billones de kg equivalentes a retirar 8 millones
de automóviles. Además, señala que han permitido
preservar la biodiversidad ya que han evitado el uso
para agricultura de 75 millones de hectáreas silvestres de tierra.
nI
Figura 5. Arroz dorado
oe
Algunas de las tendencias más destacadas del 2010
son: el 48 por ciento de las cosechas biotecnológicas
se plantaron en los países en vías de desarrollo, encabezados por China e India en Asia, Brasil y Argentina en América y Sudáfrica en África (James, 2010).
Otro dato importante es sobre los denominados eventos apilados (stacked), que cada vez toman mayor
importancia ya que son cultivos biotecnológicos que
contienen dos o más “rasgos” útiles. Este tipo de cultivos irán aumentando su presencia en años futuros, en
el 2010 fueron 32.2 millones de hectáreas (Figura 4).
Pu
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Figura 4. Cultivo de maíz transgénico
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Fuente:http://juriscientia.com/category/scientific/biology/
page/2/
Fuente:http://www.perubiotec.org/Contenido2-Biotec/
Biotec.html.
Se prevé que el arroz dorado al usarse en áreas rurales y zonas marginadas constituya una fuente sustentable de vitamina A. Entre otros desarrollos destacados está el maíz tolerante a la sequía y el arroz Bt
(resistente a ciertos insectos).
Micropropagación
Es el conjunto de técnicas y métodos de cultivo de tejidos utilizados para multiplicar plantas asexualmente en condiciones ambientales asépticas, controladas
en medios especialmente preparados que contienen
reguladores de la nutrición y el crecimiento de las
plantas. Los materiales que se utilizan con más frecuencia son embriones extraídos, yemas terminales o
trozos de tallos, raíces, hojas etc. La micropropagación también se utiliza para propagar plantas nuevas, creadas por ingeniería genética, mutagénesis o
mejoramiento genético y para obtener plantas libres
de enfermedades o que no se propagan eficientemente. Esta técnica constituye la base de una gran
industria comercial de la propagación vegetal. Muchos países en desarrollo tienen importantes programas de micropropagación y los están aplicando a
una variedad de cultivos (especies agrícolas y hortícolas entre otras). (Figura 6)
Fuente: http://www.fia.cl/Inicio/Noticias/tabid/121/ItemID/1355/View/Details/Default.aspx.
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oe
nI
De cara al futuro, es posible encontrar una amplia
gama de problemas antiguos y nuevos relacionados con la seguridad alimentaria para los cuales las
biotecnologías agrícolas, junto con otras tecnologías,
pueden servir de ayuda. Entre los problemas cabe
señalar los siguientes: estrés biótico (plagas, enfermedades y malas hierbas), el estrés abiótico (tolerancia
a la salinidad y a la sequía), la necesidad de mejorar
los rendimientos de los cultivos y la calidad nutricional,
así como, la necesidad de ampliar la base genética
de la producción agrícola y asegurar una producción
sostenible e inocua para el medio ambiente. Es probable que en el futuro algunos de estos problemas se
vean agravados por el cambio climático.
Bibliografía
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A
Figura 6. Técnica de micropropagación de cultivos
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Para garantizar la seguridad alimentaria, se requiere: un sistema coordinado de incremento de la producción agrícola, mejorar la distribución de alimentos
y el manejo de los recursos, controlar el crecimiento poblacional a través de planeación, educación y
salud, para mejorar la productividad y la utilización
sostenible de recursos. Para alcanzar esto se requiere
un cambio en la agricultura que estimule la producción
de alimentos frente a los aumentos de población.
bli
Una alternativa, no excluye los importantes avances
tecnológicos que están ocurriendo actualmente y que
podrían, no solo cubrir las demandas de alimentos en
el futuro, sino cambiar completamente el enfoque de
la alimentación en pocos años.
Pu
Agradecimientos:
Al Dr. Jorge Ramírez Salcedo, Responsable de la Unidad de Microarreglos de DNA, UNAM, por las correcciónes, comentarios y aportaciones al
manuscrito, y al Q.A. Carlos Moles y Castillo por el apoyo en el diseño
de imágenes y la información bibliográfica.
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