Técnicas de mejoramiento
Las plantas que hoy se cultivan son distintas de sus antepasados silvestres, ya que el hombre ha modificado y seleccionado sus propiedades a lo largo de más de diez mil años en función de sus necesidades. La civilización moderna basa su agricultura en agroecosistemas, ecosistemas fuertemente alterados por las actividades humanas con el objetivo de la producción agrícola, en los que la biodiversidad se ha reducido para maximizar los rendimientos multiplicando la producción de alimentos para satisfacer necesidades humanas. Muchas especies (animales, vegetales, microorganismos) que predominan en estos sistemas resultan de la selección artificial vinculada al manejo agrícola. Un agro-ecosistema es controlado con el objetivo definido de producir alimentos, y a diferencia de un ecosistema natural (como el que se encontraría en un parque nacional), es de naturaleza artificial y se encuentra en constante evolución y mejoramiento de las prácticas agrícolas. La gran mayoría de los cultivos que utiliza el agricultor en la actualidad han sido generados por el hombre por diversos métodos. Hoy, la ingeniería genética se suma a las prácticas convencionales como una herramienta más para mejorar o modificar los cultivos vegetales.
Existe gran diversidad de fenotipos en las plantas, en sus características y en sus funciones, determinada por la variabilidad genética y la interacción de estos genotipos con el ambiente. Existen diferentes factores que favorecen la diversidad genética y la variedad de características entre individuos de una misma especie o de diferentes especies. Entre estos factores se puede mencionar la reproducción sexual y las mutaciones que aumentan la diversidad sobre la que actúa la selección natural. A esto se suma la acción del hombre que, a través de la selección artificial y la hibridación (cruzamientos selectivos) aprovecha esta diversidad y promueve la reproducción y supervivencia de determinadas especies o variedades que resultan favorables.
Agricultores y pastores han manipulado la estructura genética de las plantas y los animales desde que se inició la agricultura, hace más de 10 000 años. Los agricultores manejaron durante milenios el proceso de domesticación a través de numerosos ciclos de selección de los individuos mejor adaptados. Esta explotación de la diversidad natural en los organismos biológicos ha proporcionado los cultivos, árboles, animales de granja y peces cultivados actualmente existentes, que a menudo difieren radicalmente de sus antepasados más lejanos.
El objetivo de los genetistas modernos es el mismo que el de los primeros agricultores: producir cultivos o animales superiores. El mejoramiento genético convencional, basado en la aplicación de los principios genéticos clásicos relativos al fenotipo o características físicas del organismo en cuestión, ha logrado introducir en cultivares o razas de animales características procedentes de variedades domesticadas o silvestres afines o de mutantes (Recuadro 3).
En un cruzamiento convencional, en el que cada progenitor lega a los descendientes la mitad de su estructura genética, se pueden transmitir características no deseadas junto con las deseadas, y puede que esas características no deseadas hayan de ser eliminadas a través de sucesivas generaciones de mejoramiento. En cada generación, los descendientes deben ser sometidos a pruebas para determinar tanto sus rasgos de crecimiento como sus características nutricionales y de elaboración. Puede que sean necesarias muchas generaciones antes de encontrar la combinación deseada de características, y que los intervalos sean muy largos, especialmente en el caso de cultivos de plantas perennes como los árboles y algunas especies de animales. Esa selección basada en el fenotipo es por consiguiente un proceso lento y difícil que requiere mucho tiempo y dinero. La biotecnología puede lograr que la aplicación de métodos convencionales de mejoramiento sea más eficaz.
Todos estos mecanismos se incluyen en lo que se denominan técnicas tradicionales de mejoramiento vegetal, donde el resultado final es un organismo que nunca antes existió en la naturaleza. Algunos ejemplos son:
Selección artificial y cruzamientos selectivos:
- El hombre selecciona las plantas que le ofrecen más ventajas (mejores frutos, mayor crecimiento, mayor resistencia a enfermedades, etc.), y realiza cruzamientos selectivos entre esas variedades para obtener descendencia con mejores rendimientos. Además, desde que es agricultor, el hombre no solo ha seleccionado sino que también ha trasladado especies vegetales de un lugar a otro, a otras condiciones ambientales. Estas variables ambientales también originaron gran diversidad en los vegetales. Por ejemplo, las diferentes coles (brócoli, coliflor, repollo, repollito de Burselas, y otros) son descendientes de una especie original, obtenidas por el hombre mediante selección artificial.
Hibridación (intervarietal, interespecífica, intergenérica):
El hombre realiza cruzamientos no solo entre diferentes variedades de una misma especie, sino también interespecíficos (entre especies) e inclusive intergenéricos (entre diferentes géneros). Estos cruzamientos generan híbridos: mezcla entre dos especies o géneros diferentes pero sexualmente compatibles que da como resultado una descendencia cuya combinación de genes será al azar, diferentes de los progenitores. Esta técnica es una de la que más contribuyó a la diversidad.
Un buen ejemplo chileno de cruzamiento inter-específico es la frutilla, la Fragaria chiloensis, que es un fruto grande, pero no muy sabroso comparado con la Fragaria virginiana, que es más pequeño y lábil, pero mucho más sabroso. Ambos frutos se cruzaron mediante manipulación dirigida y se obtuvo la variante que hoy en día se cultiva en todo el mundo.
Otro ejemplo es el trigo, cuyas variantes originales Einkorn y Spelt, muy antiguas, se cruzaron para obtener el Emmer, un grano más grande, pero poco resistente al ambiente, por lo que se mezcló a su vez con el Goat Grass, mucho más resistente, con lo que se obtuvo el trigo con que hoy se fabrica el pan. Esta variedad tiene el triple de cromosomas que su ancestro inicial.
Ejemplos como la zanahoria, el maíz, la lechuga y el tomate, entre muchos otros, dan cuenta de que tanto fenotípica como genéticamente han sufrido muchas variaciones para llegar a las formas que conocemos actualmente. En el pasado, a diferencia de lo que hoy ocurre, los agricultores no poseían ningún conocimiento de genética, y eran completamente ajenos a lo que es la variabilidad génica o lo que supone una mutación. Sin embargo estaban seleccionando mutantes mediante el filtro selectivo de alguna característica deseada (tamaño, color, sabor, etc.).
Mutagénesis inducida
Las mutaciones espontáneas son el motor «natural» de la evolución y el medio de que se valen los genetistas para domesticar cultivos y «crear» variedades mejores. Sin mutaciones no habría arroz, maíz o cualquier otro cultivo.
Esta técnica se utiliza desde mediados del siglo XX. A partir del decenio de 1970, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) y la FAO patrocinaron investigaciones sobre la inducción de mutaciones para impulsar el mejoramiento genético de cultivos alimentarios e industriales con el fin de obtener nuevas variedades mejoradas. Por medio del uso de sustancias químicas o radiaciones se inducen mutaciones al azar en el genoma que generan cambios en la planta y luego se selecciona los individuos que presenten las características deseadas, con lo que se imitan de hecho las mutaciones espontáneas y se amplía artificialmente la diversidad genética. Por lo general, la naturaleza exacta de las mutaciones inducidas no ha sido motivo de preocupación, independientemente de si las líneas mutantes se utilizaban directamente o como fuente de nuevas variaciones en programas de cruzamiento.
En el Institute of Radiation Breeding, NIAR de Ibaragi, Japón, existe un invernadero gamma para irradiación crónica de plantas subtropicales que ha permitido mejorías en cuanto a resistencia a enfermedades, calidad, rendimiento y adaptabilidad; y el campo de irradiación gamma Cobalto 60 ha permitido desarrollar más de 3.088 nuevas variedades vegetales, que hoy en día cubren 70% del área de cultivo del mundo con trigo, cebada, avena, arroz, soya, poroto verde, papas, cebollas, cerezas, manzanas y vides.
La aplicación de la mutación inducida al mejoramiento de cultivos ha tenido enormes consecuencias económicas en la agricultura y la producción de alimentos, actualmente valoradas en miles de millones de dólares EE.UU., y se ha traducido en millones de hectáreas de tierra cultivada.
Polinización y Fertilización in vitro
Existen barreras sexuales entre organismos de diferentes especies y géneros. El hombre puede atravesar estas barreras a través de la polinización (traslado del polen que contiene las gametas masculinas de la planta, hacia la estructura reproductiva femenina). Cuando el hombre aprende a polinizar artificialmente estas plantas y se genera la unión de los gametos, se pueden cultivar los embriones in vitro.
Cultivo in vitro de células, tejidos y órganos vegetales
También se cultivan células, tejidos u órganos en medios nutritivos en frascos. Esta técnica acompaña otras técnicas de mejoramiento vegetal. El cultivo in vitro es posible debido a que las plantas tienen una propiedad denominada totipotencialidad celular: toda célula viva e íntegra de una planta, sin importar el grado de especialización alcanzado, es capaz de regenerar una planta entera igual a la original (ver Cuaderno Nº 35 y Nº 56).
Obtención de haploides
Cultivo in vitro de estructuras sexuales haploides que generan organismos haploides que pueden aportar caracteres agronómicos importantes.
Preocupaciones relativas a la salud y el medio ambiente en el fitomejoramiento convencional
Antes de la llegada de la ingeniería genética, el fitomejoramiento no era objeto de una notable reglamentación. Las normas sobre certificación de semillas garantizan la pureza y calidad de las mismas, pero se ha prestado poca atención a los posibles efectos sobre la inocuidad de los alimentos o el medio ambiente que pueden causar las nuevas variedades de plantas derivadas del mejoramiento convencional (no obtenidas por ingeniería genética).
El fitomejoramiento convencional difiere considerablemente de la selección natural. Ésta crea sistemas biológicos con capacidad de adaptación; asegura el desarrollo de un organismo que contiene propiedades que lo adaptan a una diversidad de condiciones ambientales y garantizan la continuación de la especie. La selección artificial y el fitomejoramiento convencional rompen precisamente estos sistemas con capacidad de adaptación, creando combinaciones de genes que difícilmente sobrevivirían en la naturaleza.
El mejoramiento genético convencional ha sido la causa de unos pocos casos de efectos negativos en la salud humana. En un caso se encontró que un cultivar de papas tenía niveles excesivos de toxinas naturalmente presentes; en otro, un cultivar de apio mejorado de forma convencional para aumentar su resistencia a los insectos causaba erupciones cutáneas si se cosechaba sin guantes.
Asimismo, los efectos que cultivos mejorados convencionalmente pueden causar en el medio ambiente o en variedades tradicionales de los agricultores no han dado lugar en general a controles reglamentarios, si bien algunas de las preocupaciones relacionadas con los cultivos transformados genéticamente son también aplicables a los convencionales.
La mayoría de los principales cultivos alimentarios del mundo no son originarios de sus principales zonas de producción, sino que proceden de unos pocos «centros de origen» distintos y han sido trasladados a nuevas zonas de producción por medio de la migración y el comercio. En todo el mundo se cultivan plantas muy domesticadas y la migración fuera de las zonas de cultivo sólo raramente ha causado algún problema grave. Incluso cuando se cultivan en su centro de origen, como las papas en América del Sur o el maíz en México, no se han establecido permanentemente híbridos entre especies cultivadas y silvestres. Hay varios informes sobre el flujo de genes entre plantas cultivadas y sus parientes silvestres, pero en general no se ha considerado que representen un problema.
Comparación de distintas técnicas de mejoramiento genético vegetal
| HÍBRIDOS (cruce entre 2 plantas no clonales) | POLIPLOIDES (genoma completo duplicado) | MUTAGÉNESIS (agentes químicos o radiación inducen daños al ADN) | CRUCES INTERESPECÍFICOS (cruce entre 2 plantas de distintas especies) | TRANSGÉNICOS (movilizar sólo uno o algunos genes de un organismo a otro) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Ejemplos | Casi todo | Frutillas, trigo, bananas, brasicas, etc. | Algunas manzanas, peras, arroz, papa dulce, menta, etc. | Triticale, Pluots, tangelos, algunas manzanas, arroz, etc. | Maíz, canola, soja, algodón, papaya de hawai, remolacha, etc. |
| Se producen cambios o nuevas combinaciones genéticas | Si | Si | Si | Si | Si |
| Ocurre en la naturaleza | Si | Si | Si (tranposones, mutaciones espontáneas) | Rara vez | Agrobacterium, transferencia horizontal |
| Intervención humana | Si, para mejorar el cultivo | Puede ser inducida quimicamente | Si, para introducir variación y mejorar el cultivo | Si, para mejorar el cultivo | Si, para mejorar el cultivo de forma precisa. |
| Se conoce que genes se afectaron | No | No | No (miles de modificaciones) | No | Si (1-8) |
| Se conoce donde ocurrió la modificación | No | No | No | No | Si |
| Efecto adverso documentado | Si | ??? | ??? | Si | No |
| Evaluación de riesgo ambiental | No | No | No | No | Si |
| Aceptados por “orgánicos” | Si | Si | Si | Si | No |
| Tiempo para desarrollar una variedad (sin contar etapas regulatorias) | 5-30 años | >5años | >5años | 5-30 años | <5años |
| Etiquetado | No | No | No | No | Si |
| Propiedad intelectual | Si | Si | Si | Si | Si |