Desde el maíz hasta los plátanos, los agricultores pueden beneficiarse de crecer cultivos editados genéticamente que sean resistentes y sostenibles, junto con insecticidas de precisión e ingeniería microbiana. Pero llegar a quienes más lo necesitan sigue siendo un desafío.
Nature / 13 de enero, 2025.- La creciente población mundial necesita alimentarse, pero el cambio climático ya está afectando la producción agrícola. En el futuro, las variedades de cultivos deberán ser más resistentes a las amenazas físicas y biológicas. También deberán ser más eficientes en la conversión de la energía y los nutrientes que reciben en alimentos, y en este espacio hay mucho margen para la innovación. La ingeniería genética ha mejorado un puñado de rasgos en una gama limitada de cultivos, incluso si se cultivan a gran escala. Pero hay que hacer más. Ahora, con la precisión y la flexibilidad de la edición genética, la biotecnología vegetal está abordando una variedad mucho mayor de cultivos alimentarios importantes y una gama mucho más amplia de rasgos genéticos.
La mejora genética de precisión con herramientas biotecnológicas para mejorar los cultivos ha quedado rezagada con respecto a los avances en la medicina de precisión. Hoy en día, solo un puñado de plantas editadas genéticamente están disponibles comercialmente. Según Catherine Feuillet, directora científica de Inari Agriculture, que durante su carrera académica fue cofundadora del Consorcio Internacional de Secuenciación del Genoma del Trigo, la secuenciación genómica del trigo de alta calidad solo estuvo disponible en 2018. Para los fitomejoradores, saber qué editar y cómo hacerlo solo ha sido posible gracias al conocimiento generado recientemente por los datos genómicos y las herramientas computacionales. “No podemos considerar el fitomejoramiento como un arte, tiene que ser una ciencia”, afirma. Inari ha recaudado más de 575 millones de dólares en financiación de capital desde su formación en 2016 para desarrollar variedades de trigo, maíz y soja de alto rendimiento y ahora está cerca de lanzar su primer producto comercial. “Estamos buscando rasgos que modifiquen la arquitectura de la planta para aumentar el rendimiento”, afirma Feuillet. Sus tecnologías incluyen una herramienta de programación epigenética basada en CRISPR que puede activar la expresión de genes objetivo, que desarrolló el cofundador de la empresa, Steve Jacobsen, de la Universidad de California en Los Ángeles.
Pairwise ha utilizado la edición de bases en el maíz para modificar el número de filas de granos presentes en las mazorcas de la planta madura. Dieciséis filas es lo estándar, dice el director ejecutivo y cofundador Tom Adams, pero las plantas con 18 a 20 filas parecen tener un rendimiento un 10% mayor, aunque esto aún no está totalmente confirmado. «Está en las primeras pruebas de campo». La empresa también está investigando si es posible modificar la misma vía en las moras para aumentar el número de drupas, los componentes individuales similares a cuentas de cada baya. La empresa obtuvo una licencia para la tecnología de edición de bases a través de su cofundador David Liu, del Instituto Broad del MIT y Harvard. La empresa también ha utilizado la enzima nucleasa Cas12, también licenciada a través de Liu, para evitar «el lío de patentes en torno a Cas9», dice Adams. Gran parte de su enfoque inicial se centró en una alianza con Bayer, de Leverkusen, Alemania, para trabajar en maíz, soja, canola, trigo y algodón. «Editamos cientos de genes diferentes en esos cultivos». Ese esfuerzo dio como resultado 27 rasgos novedosos, que Bayer ahora está explorando más a fondo. Una segunda alianza entre las dos empresas está abordando el maíz corto: apuntan a desarrollar plantas que sean un 30-40% más cortas pero que produzcan la misma cantidad de mazorcas. Además de ser más capaces de soportar vientos fuertes, también permitirían un mejor acceso para la maquinaria, permitirían más flexibilidad para aplicar fertilizantes u otros insumos y eliminarían la necesidad de rociar los cultivos desde aviones, una práctica que consume mucha energía y es contaminante.
Los plátanos son otro cultivo en el que la edición genética está a punto de causar sensación. En el primer trimestre de 2025, Tropic Biosciences planea lanzar el primer plátano editado genéticamente cultivado comercialmente, que está diseñado para resistir el pardeamiento u oxidación. La empresa de biotecnología con sede en Norwich, Reino Unido, desarrolló la variedad silenciando la expresión de dos genes, cada uno de los cuales codifica una enzima polifenol oxidasa. Estos se regulan positivamente en la parte comestible y carnosa de la fruta en respuesta a los golpes físicos. Aparte de esa característica particular, el plátano editado genéticamente es idéntico en todos los demás aspectos a la variedad de mercado masivo que se consume en todo el mundo, dice el cofundador de la empresa y CSO Eyal Maori. El sabor, por ejemplo, no se ve afectado en el plátano editado genéticamente, a diferencia de lo que ocurre en los híbridos desarrollados mediante cultivo convencional. La nueva variedad pretende reducir las pérdidas poscosechahttps://doi.org/10.1016/j.tifs.2023.03.003, extender la vida útil de los plátanos y abrir nuevas oportunidades comerciales en el mercado de ensaladas de frutas recién preparadas.
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La inminente llegada de una variedad de banano editada genéticamente es digna de mención porque la diversidad genética de los bananos es extremadamente baja. Las variedades cultivadas comercialmente descienden de parientes mutantes y estériles de bananos silvestres no comestibles. La industria bananera, como es bien sabido, ha dependido en gran medida de una sola variedad, la Cavendish, durante unos 70 años, porque una infección fúngica, la marchitez por Fusarium, acabó con su predecesora en la década de 1950. Los grandes monocultivos son vulnerables a las enfermedades.
Tropic ha desarrollado su plataforma GEiGS, que combina la edición genética CRISPR-Cas9 con el silenciamiento genético por interferencia de ARN (ARNi) para mejorar la resistencia del cultivo a patógenos u otros rasgos útiles. Lo hace apuntando a secuencias de ADN que codifican pequeñas moléculas de ARN interferente (ARNi) y redirigiendo sus actividades de ARNi hacia nuevos objetivos genéticos. «En cierto modo, hemos desbloqueado el banano», dice Maori. Para identificar los genes diana adecuados, la empresa ha desarrollado un atlas de expresión de ARN patentado, que perfila los patrones de expresión genética en diferentes tejidos vegetales. Los plátanos son triploides y codifican nueve polifenol oxidasas de color pardo en total. Para abordarlos todos, dice Maori, habría sido necesario desarrollar una variedad transgénica, que conllevaría una carga regulatoria mucho mayor y un nivel de aceptación por parte de los consumidores mucho menor que la variedad editada. Es el primero de un proceso que también incluye variedades de arroz y café.
Aunque en una etapa anterior, Meiogenix, con sede en París, también está explotando el reconocimiento de secuencias de ADN mediado por CRISPR para mejorar la diversidad genética en las plantas. Su objetivo es introducir ediciones cromosómicas programadas con CRISPR en los cultivos para impulsar la recombinación homóloga en regiones del genoma donde normalmente no ocurre, y hacerlo de manera dirigida. La recombinación homóloga, un proceso aleatorio que ocurre durante la meiosis, es intrínseca a la reproducción sexual en todos los eucariotas: es el medio por el cual una especie mantiene la diversidad genética. En las plantas, sin embargo, generalmente se limita a los extremos de los cromosomas, dice la directora de tecnología de Meiogenix, Gaganpreet Sidhu. Para dirigir el proceso y permitirle llegar a otras regiones genómicas, la empresa ha fusionado una enzima Cas9 catalíticamente muerta con Spo11, la proteína responsable de iniciar la recombinación homóloga durante la meiosis. «Simplemente estamos haciendo lo que hace la naturaleza, pero en otro lugar», dice. El enfoque no introduce ninguna mutación ni ADN externo: la construcción de fusión que inicia el proceso, que se introduce en un plásmido mediante la transformación mediada por Agrobacterium, se puede seleccionar (con la ayuda de un gen reportero) de aquellas plantas que han experimentado una recombinación homóloga.
La tecnología promete abrir nuevas posibilidades de reproducción al permitir la transferencia dirigida de grandes regiones genómicas que están asociadas con rasgos complejos. Además, debido a la precisión del reconocimiento basado en CRISPR, el enfoque evita el arrastre de ligamiento, un problema común en el mejoramiento convencional, que implica la introducción de genes perjudiciales junto con los rasgos deseados. Esto generalmente requiere retrocruces laboriosos y que consumen mucho tiempo para eliminar los genes no deseados.
El fundador científico de Meiogenix, Alain Nicolas, y sus colegas establecieron el sistema de edición cromosómica en levadura hace siete años. Desde entonces, la empresa ha estado trabajando en la prueba de principio en plantas y en la mejora de su eficiencia. Recientemente concluyó una colaboración con Bayer que estableció que el sistema funciona en maíz, dice Sidhu, y también ha establecido que funciona en tomate y arroz. La empresa ahora planea probar el sistema en otros cultivos comercialmente importantes. Ya está en marcha una colaboración para desarrollar una variedad de tomate resistente a enfermedades con un socio. «Es un problema de arrastre de ligamiento que estamos planeando resolver», dice Sidhu.
Para evitar los efectos devastadores que probablemente experimentarán los cultivos en las próximas décadas, será necesaria la resistencia a la sequía y al estrés térmico. Aunque normalmente se dan juntos en el campo, las agencias de financiación históricamente favorecían el estudio de cada uno de ellos por separado, dice Ron Mittler del Centro de Ciencias de la Vida Christopher S. Bond de la Universidad de Missouri. Sin embargo, el cambio climático ha redefinido la agenda y los estudios de Mittler sobre los factores estresantes combinados están empezando a dar frutos. Hace varios años, su grupo identificó una estrategia de adaptación en la soja expuesta al calor y la sequía. Para conservar el agua y permitir que se produzca la reproducción, los estomas (los poros de la planta que controlan la evaporación) se abren solo en las flores y permanecen cerrados en las partes vegetativas de la planta. Esto reduce la temperatura interna de las flores entre 2 y 3 °C y protege el proceso reproductivo, que es esencial para los productores que desean cosechar semillas (o porotos). “La biomasa no es tan crítica en la soja”, dice Mittler. “Lo que es crítico es el rendimiento: ¿cuántas semillas se van a obtener?” El grupo de Mittler también estableció que la hormona vegetal ácido abscísico hace que los estomas se cierren. Las vías del ácido abscísico se regulan naturalmente en el tejido reproductivo y podrían modificarse aún más para proporcionar protección adicional contra la sequía y el estrés térmico. Mittler y sus colaboradores están planeando ensayos de campo de estas semillas de soja modificadas para determinar si son más capaces de mantener el rendimiento en condiciones estresantes.
Las plantas no son los únicos objetivos de la intervención para mejorar los rendimientos de los cultivos de manera sostenible. Las bacterias ofrecen posibilidades para aumentar la fertilidad del suelo y reducir el uso de fertilizantes sintéticos. Se estima que los fertilizantes nitrogenados y el estiércol que contiene nitrógeno representan un 5% de todas las emisiones de gases de efecto invernadero a través de la liberación de dióxido de carbono, óxido nitroso y metano, a lo largo de su producción y uso en la agricultura. El proceso es inherentemente derrochador: menos de la mitad del nitrógeno aplicado es absorbido por los cultivos. El resto se pierde, ya sea en la atmósfera o como escorrentía agrícola contaminante que daña los ecosistemas de agua dulce y marinos. Desde hace tiempo se ha considerado como una posible solución el aprovechamiento de la fijación bacteriana del nitrógeno, que implica la conversión del nitrógeno atmosférico en amoníaco. En la década de 1970, algunos científicos propusieron transferir los genes bacterianos nif implicados en la fijación del nitrógeno a los principales cultivos de cereales, como el trigo, el arroz y el maíz. En cambio, los enfoques modernos de edición genética se centran en las bacterias fijadoras de nitrógeno que habitan en el suelo, que son abundantes. Algunas, como las especies Rhizobium y Frankia, forman nódulos en las raíces de las plantas leguminosas y viven en simbiosis con sus huéspedes. Pero muchas bacterias de vida libre, incluidas las especies Klebsiella, Azotobacter y Bacillus, también son capaces de fijar el nitrógeno.
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En entornos agrícolas, la presencia de fertilizantes de nitrato aplicados exógenamente inhibe la expresión del gen nif, pero Pivot Bio ha desarrollado una cepa de Klebsiella variicola que puede fijar el nitrógeno independientemente de la concentración externa de nitrato. Pivot ha sustituido el gen nifL, que codifica la proteína inhibidora NifL, por un promotor endógeno que impulsa la expresión constitutiva de nifA. Su producto génico, NifA, activa la expresión de los demás genes nif. La cepa bacteriana, Kv137-2253, se comercializa para su uso en trigo, sorgo, cebada, avena y girasol. Para el maíz, Pivot ha combinado Kv137-2253 con un segundo organismo, la cepa Kosakonia sacchari Ks6-5687, cuyos genes nif también han sido editados para su expresión constitutiva. En la actualidad, estos productos (que se pulverizan durante la siembra o se aplican a las semillas en forma de recubrimiento) pueden cubrir aproximadamente una cuarta parte de las necesidades de nitrógeno de las plantas. «Eso es un reflejo de la eficiencia que hemos podido captar en el sistema», afirma Karsten Temme, cofundador y director de innovación de Pivot. La empresa pretende mejorar esto impulsando aún más la fijación de nitrógeno en presencia de nitrato y aumentando la cantidad de amoníaco que las bacterias exportan a la rizosfera. Las bacterias de Pivot se utilizan actualmente junto con alrededor del 5% de la producción de maíz de EE. UU. «Ya ha tenido un impacto enorme», dice Temme. La empresa ahora se está preparando para exportar la tecnología a Brasil y también está comenzando a realizar pruebas en Kenia.
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La innovación biotecnológica también apunta al impacto ambiental nocivo de los insecticidas. Solasta Bio se encuentra entre un grupo de empresas que desarrollan insecticidas de precisión con una selectividad similar a la de los productos farmacéuticos para sus organismos objetivo, a diferencia de los agentes de amplio espectro que históricamente han dominado el sector de la protección de cultivos. La empresa con sede en Glasgow, Reino Unido, está desarrollando péptidos derivados de insectos que alteran el comportamiento del organismo. «Se trata de péptidos muy pequeños, basados en lo que históricamente se denominaban neuropéptidos de insectos», dice la directora ejecutiva y fundadora Shireen Davies. Hasta ahora se han identificado unas 55 familias de péptidos de este tipo, que presentan altos niveles de diversidad tanto dentro como entre familias. «Identificamos y diseñamos racionalmente los péptidos para los objetivos de interés», dice. Eso permite apuntar con precisión al receptor cognado del péptido para provocar el efecto deseado, sin afectar a los insectos beneficiosos, como los polinizadores. «Predisponemos al insecto a ser menos capaz de soportar el estrés ambiental», dice. Su agente principal está en desarrollo para los pulgones, que son un problema particular para los agricultores que cultivan verduras de hoja verde. “Estamos buscando la aprobación de la EPA”, dice. Eso podría suceder en 2027. Más adelante en el proceso se están desarrollando agentes para Drosophila de alas manchadas, lepidópteros y cigarras de plantas y hojas. Otras empresas en este espacio incluyen IBI-Ag, de Ness Ziona, Israel, que está desarrollando anticuerpos de dominio único; y Biotalys, de Ghent, Bélgica, que está desarrollando fungicidas basados en péptidos.
La edición genética y otras formas de innovación biológica no son, por supuesto, los únicos factores que determinarán si la agricultura puede volverse más resistente y ambientalmente sostenible. El aporte de los agrónomos es importante para traducir la innovación en práctica, dice Charles Spillane, profesor de ciencia vegetal en la Universidad de Galway en Irlanda. Ese tipo de experiencia “puede estar escasamente difundida” en partes del África subsahariana y otras regiones donde la producción de alimentos ya está bajo una presión severa. “Los desafíos son más pronunciados para los dos mil millones de personas que dependen de los sistemas de cultivo de secano, particularmente en las tierras secas en expansión”, dice.