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Biotecnología vegetal: Buscando cultivos tolerantes a sequía
Escrito por Juan Pablo Figueroa
martes, 13 de mayo de 2008
A nivel comercial, el mundo agrícola cuenta con varios cultivos transgénicos dotados con rasgos tales como resistencia a insectos, tolerancia a herbicidas, maduración retardada, resistencia a virus o vegetales mejorados desde el punto de vista nutricional.
Aún no existen cultivos GM (genéticamente modificados) comerciales que sean tolerantes a situaciones que son cada vez más recurrentes y por lo mismo preocupantes: sequía, salinidad, temperaturas extremas, radiación, etc., pero en Latinoamérica y en resto del orbe se realizan esfuerzos biotecnológicos en ese sentido. Es así que en octubre en el VI Encuentro RedBio2007 realizado en la ciudad de Viña del Mar se dedicaron varias conferencias a exponer experiencias biotecnológicas que buscan superar estreses abióticos.
Imagínense que modificando un gen pudiéramos cambiar el color de las plantas de importancia económica, del tradicional verde a tonos de gris, para que así los vegetales absorban menos calor y requieran menos agua para su desarrollo. Aunque no lo crean ese es un ejemplo realista de cómo se puede orientar la investigación biotecnológica agrícola. Pero también se persiguen objetivos que desde el punto de vista agronómico son menos sorprendentes, por ejemplo lograr que las plantas desarrollen sistemas radiculares más grandes y exploradores o que por alguna otra razón las raíces sean más eficientes.
En diferentes partes del mundo se está utilizando los recursos biotecnológicos para lograr que los cultivos más importantes se adecuen a situaciones ambientales extremas. Los estrés abióticos: sequía, salinidad, radiación, frío o calor extremos, carencia de nutrientes, entre otros, causan graves pérdidas a la agricultura y son cada vez más preocupantes cuando toman el aspecto del cambio climático global, de la sostenida salinización de los suelos y del agua de riego agrícola o simplemente de las continuas alzas en el costo de los fertilizantes.
Arabidopsis thaliana: Una planta fundamental para la investigación
En el año 2000 se completó la secuencia genética de la planta Arabidopsis thaliana, variedad de mostaza de baja alzada que se convirtió en la primera planta de alto nivel evolutivo en ser secuenciada. En torno a ese trascendental evento se formaron gran cantidad de empresas y redes de miles de investigadores de todo el mundo, conformando el más avanzado sistema de experimentación en biología vegetal del globo (se puede acceder libremente a la secuencia y a la información que se genera en: www.arabidopsis.org).
Arabidopsis es un excelente vegetal para la investigación puesto que es fácil de transformar por medio de la introducción de genes y su ciclo de vida es de tan sólo 7 semanas de semilla a semilla. Pero aún más importante, Arabidopsis ofrece un modelo válido para el estudio de gran cantidad de plantas de valor comercial, ya que sus secuencias genéticas son similares, de modo que los genes de Arabidopsis son útiles para encontrar homólogos en las plantas cultivadas que se busca modificar.
Algunas de las compañías y redes mencionadas trabajan con un grupo de genes detectados en Arabidopsis llamados Factores de Transcripción (FT) los que controlan el grado de activación de cientos o miles de otros genes que se expresan en cascadas (primarios, secundarios, etc.) y que finalmente controlan la expresión de cada rasgo en particular. En el genoma de Arabidopsis cerca de 27.000 genes son controlados por aproximadamente 1.800 FT. Por ejemplo la compañía Mendel Biotechnology, fundada en 1997 para trabajar con la secuencia de Arabidopsis, analiza sistemáticamente las funciones de todos los FT de Arabidopsis y los científicos de Mendel han descubierto que un solo FT puede controlar rasgos complejos tales como la habilidad de una planta para superar heladas, sequía, eficiencia de uso de nitrógeno, resistencia a enfermedades y muchos otros rasgos complejos.
Los impactos medioambientales en los cultivos
La condición de cultivo que más impacta en la agricultura global es la sequía o estrés hídrico. Afortunadamente ya se han logrado avances en la búsqueda de mecanismos que permitan a las plantas de valor comercial tolerar múltiples formas de estrés y se han detectado genes relacionados con la manifestación de rasgos que ayudan a los cultivos a prosperar en ambientes desérticos, con altas concentraciones de sal y bajas o altas temperaturas. Por ejemplo, las células de las plantas contienen compartimentos llamados vacuolas hacia las que es posible derivar el exceso de sal para que no se afecte el funcionamiento del resto de la célula. La biotecnología puede lograr que las células depositen la sal en estas vacuolas a través de la inserción de genes que codifican una proteína encargada de bombear sal, desde las principales partes de la célula a las vacuolas.
Estrés abiótico en REDBIO2007
En RedBio Chile 2007 (22-26 de octubre en Viña del Mar) se expusieron varios trabajos que intentan conseguir plantas cultivables tolerantes a estrés abióticos. Entre ellas el Dr. Roberto Gaxiola de Arizona State University expuso su investigación “Ingeniería de raíces: Una estrategia para la agricultura en áreas marginales de cultivo”. El Dr. Gaxiola trabaja con el modelo Arabidopsis y ya ha determinado que la sobre expresión de un gen, el AVP1, resulta en plantas tolerantes de Arabidopsis a estrés hídrico o salino. Gaxiola además ha obtenido plantas de tomate transgénicas (AVP1) que así mismo son tolerantes a estrés hídrico. Además estos cultivos GM desarrollan raíces y ramas más grandes y un mayor número de frutos –más grandes– cuando son cultivadas en condiciones de bajo fósforo. También ha obtenido buenos resultados con plantas de arroz. La hipótesis es que la H+-pirofosfatasa (H+-PPase) AVP1 facilita el transporte de auxinas y los desarrollos dependientes de auxinas en Arabidopsis, así como en otras plantas.
El Dr. Eduardo Blumwald del Departamento de Plant Science de la Universidad de Davis, California, por su parte tituló su exposición “El retraso en la senescencia de la hoja induce una tolerancia extrema y mejora la eficiencia de uso (de agua) de los cultivos”. Blumwald no trabaja con el modelo Arabidopsis pues prefiere estudiar directamente plantas cultivables, de modo que experimenta con tabaco.
El Dr. Blumwald parte de tres principios observables: 1. los estrés por salinidad y sequía aceleran la senescencia de las plantas, 2. los estrés modifican la relación sumidero/fuente y 3. las citoquininas retardan la senescencia de las hojas. Al contrario del dogma que dice que la senescencia es un proceso que ayuda a las plantas a superar estrés, el investigador plantea que es posible mejorar la tolerancia de las plantas a la sequía si la senescencia de las hojas es retrazada durante el episodio de sequía.
La idea del equipo del Dr. Blumwald es que regulando la expresión de maduración y de estrés inducido por un promotor de la IPT (isopentenil transferasa), el factor limitante para la biosíntesis de citoquinina, se puede mantener niveles óptimos de citoquinina durante el estrés y retardar la senescencia inducida por éste.
Los investigadores de Davis han obtenido plantas de tabaco que pueden crecer con un 70 % menos de agua. Las pruebas mostraron que a diferencia de las plantas de tabaco normales que se desprenden de sus hojas y mueren si no son regadas en dos semanas, las plantas transgénicas no muestran grandes deterioros. Las GM rindieron sólo un 12 % menos cuando se les aplicó un 70 % menos de agua. El descubrimiento podría ser importante también porque existen otras rutas para incrementar los contenidos de citoquinina en los cultivos, como por ejemplo la aplicación de extractos naturales de algas. (http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0709453104v1)
Científicos canadienses identificaron gen de resistencia a estrés
Científicos de la universidad canadiense de Saskatchewan identificaron un gen que podría allanar el camino para desarrollar cultivos agrícolas y forestales más tolerantes a estrés ambientales (abióticos), como por ejemplo luz ultra-violeta u otros tipos de radiación. El estudio conducido por Wei Xiao y sus colegas es destacado en la edición de enero de la revista The Plant Cell.
Utilizando el modelo Arabidopsis ellos fueron capaces de clonar y caracterizar cuatro genes que se sospecha cumplen un rol en las respuestas de las plantas al estrés. Cuando las plantas sufren un estrés que perjudica al ADN, las plantas en las que uno de esos genes ha sido desconectado (know out) producen plántulas que crecen más lento y generalmente mueren, comparadas con el grupo control. “Esto nos dice que esos genes probablemente juegan un rol importante en la mantenimiento de la estabilidad genética de las plantas y las protege de los estrés”, afirma Dr. Wei Xiao.
El artículo se puede ser solicitado en el e-mail del Dr. Wei Xiao:
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http://www.usask.ca/research/news/read.php?id=768&newsid=1
Compitiendo por cultivos tolerantes a sequía
Una carrera global que coloca a Pionner, Monsanto Co. y a otras empresas unas contra otras se está llevando a cabo para desarrollar nuevas líneas de maíz -y otros cultivos- que crezcan en situaciones críticas de falta de agua. DuPont espera tener en el mercado su primera semilla de maíz transgénico tolerante a la sequía hacia 2012. Monsanto, compañía que –entre otros lugares– hace pruebas en los alrededores semiáridos de Davis, California, planea lanzar al mercado su primer maíz tolerante a sequía poco después de 2010.
Syngenta, compañía que tiene su base norteamericana en Greensboro, North Carolina, está desarrollando lo que llama tecnología de maíz ‘optimizadora de uso del agua’ la que permitirá al maíz crecer en suelos en que normalmente no prosperaría. Esta empresa apunta a tener algo marqueteable hacia 2011. Todas las esas empresas realizan esfuerzos multienfoque que incluyen tanto mejoramiento convencional como biotecnológico. Este último involucra transferencia de genes desde microbios o desde otras plantas, entre ellas Arabidopsis.
La idea es lograr plantas con sistemas radiculares más largos y fuertes que extraigan más agua desde el suelo, desarrollar plantas que conserven mejor el agua en el tallo y las hojas, y además cambiar la forma en que las plantas se desarrollan, para que el agua se dirija más al desarrollo de los granos, por ejemplo, que de las hojas.
Biotecnología y nutrición vegetal
Con los precios de los fertilizantes en alza sostenida uno de los rasgos más buscados en los cultivos biotecnológicos es la eficiencia en la absorción de nitrógeno. En la actualidad se está realizando I + D en maíz, para que este cultivo utilice mejor el N.
De acuerdo a un reciente reporte publicado en AglineNews, Monsanto está desarrollando maíz que rinde más bajo condiciones normales de N, o que estabiliza sus rendimientos en ambientes de bajo N. En 2006, en tres localidades de Illinois y Iowa, Monsanto llevó a un gen de uso del N a no mostrar caídas de rendimiento cuando los niveles de aplicación de N bajaron de 180 lbs/ac (205 kg/ha) a 40 lb/ac (45 kg/ha). Recientemente Monsanto y una empresa llamada Evogene, anunciaron una colaboración para mejorar la eficiencia de uso de N en maíz, soja, canola y algodón. La filial de DuPont, Pioneer Hi-Bred International, también busca desarrollar maíz con mayor eficiencia de uso del N. Así mismo existe investigación pública orientada a descubrir genes asociados al uso eficiente de este elemento.
El año pasado la revista Nature reportó esfuerzos de investigadores de Gran Bretaña y Dinamarca que intentan aplicar ingeniería genética a plantas para producir nódulos en las raíces en ausencia de rhizobias y conseguir cultivos que no necesitan ser tratados con fertilización nitrogenada, en cambio permite a una bacteria natural del suelo colonizar nódulos fijadores de N.
Hoy, al alero de la FAO, se está estableciendo una nueva y prometedora red de cooperación entre laboratorios y prestigiosos centros internacionales de investigación con el fin de seleccionar nuevas variedades de plantas usando herramientas biotecnológicas. El comité directivo provisional del consorcio está formado por University of California-Davis, CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), CIMMYT (Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo) y universidades y centros de investigación miembros de RedBio.
Esta iniciativa pretende unificar experiencias nacionales y regionales con el fin de identificar y compartir genes y germoplasma que permitan fitomejorar cultivos estratégicos: maíz, pasturas, frijoles secos, arroz, soja y trigo, para conferirles tolerancia a estrés abióticos como son sequía, salinidad y acidez.
Artículo publicado en Chileriego Edición Nº 33, abril de 2008.
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Compitiendo por cultivos tolerantes a sequía
