Periodos históricos de la mejora genética vegetal: desde la selección masal hasta la ingeniería genética

Periodos históricos de la mejora genética vegetal

1. Periodo de la selección masal (desde el 10.000 a. C.)

Comienza con la domesticación de las plantas. El ser humano seleccionaba las mejores plantas según sus características (semillas, frutos, sabor o duración del ciclo). Al principio había poca diversidad, pero las mutaciones y los cruzamientos espontáneos generaron nuevas variantes. Así surgieron las variedades locales, adaptadas a cada región.

Selección masal: elegir las mejores plantas de una población para obtener una variedad con características determinadas. Todavía se utiliza en la agricultura de subsistencia.

2. Periodo de la mejora científica: el cruzamiento (desde el siglo XVIII)

Comienza con el descubrimiento de la reproducción sexual de las plantas. El cruzamiento consiste en depositar el polen de una planta (parental masculino) sobre los óvulos de otra (parental femenino), obteniendo nuevos genotipos.

Aparecen los mejoradores y las empresas de semillas, como Vilmorin y Gartons. En el siglo XX se descubre la heterosis (vigor híbrido) y se desarrollan variedades híbridas, inicialmente en maíz en EE. UU.

También aparecen dos técnicas:

• Poliploidía: multiplicar el número de cromosomas.
• Mutagénesis artificial: provocar mutaciones.

Tras la Segunda Guerra Mundial se crean centros internacionales, como el CIMMYT (trigo) y el IRRI (arroz). Se obtienen variedades de alta producción o cultivares de élite, que sustituyen a muchas variedades locales, provocando erosión genética (pérdida de diversidad genética).

A finales del siglo XX, muchas empresas de mejora son compradas por multinacionales agroquímicas. En 2016, Bayer compra Monsanto.

3. Ingeniería genética y plantas transgénicas (desde 1970)

El cruzamiento tradicional tiene una limitación: normalmente solo permite cruzar plantas de la misma especie o de especies cercanas.

En 1970 se desarrollan técnicas de ADN recombinante, que permiten introducir genes de organismos diferentes mediante transferencia genética. Ejemplos:

• 1995: maíz Bt, al que se introduce un gen de la bacteria Bacillus thuringiensis para combatir insectos, especialmente los taladros.
• 1996: soja RR, modificada para tolerar el herbicida glifosato.

La mejora genética queda cada vez más en manos de grandes multinacionales, muchas relacionadas con los pesticidas, que buscan proteger sus variedades frente a las copias ilegales mediante técnicas como la producción de híbridos y transgénicos.

Conservación ex situ (bancos de germoplasma)

La refrigeración aumenta el tiempo de conservación y mantiene la capacidad de germinación de las semillas. Existen dos tipos:

• Semillas ortodoxas: resisten bien la baja humedad y las bajas temperaturas. Ejemplos: trigo, cebada, garbanzos y habas.
• Semillas recalcitrantes: se deterioran a bajas temperaturas y no pueden conservarse mediante los métodos habituales de almacenamiento de semillas. Ejemplos: caña de azúcar, té, castaño y cítricos.

Conservación de las semillas ortodoxas según la temperatura y el tiempo

• A corto plazo o de trabajo: en un lugar seco, sin condiciones especiales; duran entre 3 y 5 años.
• A medio plazo: entre 0 y 4 °C y con baja humedad relativa; duran entre 20 y 25 años.
• A largo plazo: a -18 °C o menos y con baja humedad relativa; duran más de 100 años.

Banco Mundial de Semillas de Svalbard (Noruega)

Es un proyecto del Gobierno noruego que conserva más de un millón de muestras de semillas de variedades locales de todo el mundo.

Se encuentra en un túnel excavado en una montaña de la isla de Spitsbergen, en el archipiélago de Svalbard, aprovechando el permafrost (suelo permanentemente helado).

Su objetivo es funcionar como una copia de seguridad de la diversidad genética de los cultivos de semillas ortodoxas del mundo.

Leyes de Mendel

Ley de la uniformidad: Mendel empleó líneas puras homocigotas para la formación de híbridos en la primera generación. AA × aa = Aa (100%).

Ley de la segregación: Se produce la autofecundación del híbrido en la segunda generación, con una separación de caracteres. Se obtendrán solo los individuos homocigóticos.

Ley de independencia de varios caracteres: Dos caracteres se transmiten de forma independiente, es decir, la presencia de uno no afecta a la del otro. Se cruzan dos individuos con caracteres diferentes, incluyendo la autofecundación de la F2. La segregación para genes en F2 es 9:3:3:1.

Relación entre recombinación y distancia genética

La recombinación: Durante la meiosis I, los cromosomas homólogos pueden intercambiar fragmentos de ADN entre sus cromátidas mediante el entrecruzamiento, creando nuevas combinaciones de genes y aumentando la variabilidad genética.

• Gametos recombinantes: presentan nuevas combinaciones de genes.
• Gametos parentales: mantienen las combinaciones originales.

Distancia genética: Cuanto más alejados están dos genes en un cromosoma, mayor es la probabilidad de que ocurra una recombinación entre ellos. La frecuencia de recombinación (r) es la proporción de gametos recombinantes para dos genes. Cuanto mayor sea, mayor será la distancia genética entre ellos, que se mide en centimorgans (cM).

Selección asistida por marcadores y tipos

Es un método de selección indirecta donde se emplean marcadores genéticos para elegir individuos que poseen un alelo específico asociado a un carácter agronómico de interés (como resistencia a enfermedades). Permite seleccionar en estadios muy tempranos (semilla o plántula) sin necesidad de esperar a que se exprese el fenotipo, y es muy útil para identificar genes cuantitativos (QTLs) sin interferencia ambiental. El marcador debe estar muy cerca del gen de interés para evitar que la recombinación los separe.

2. Tipos de marcadores moleculares de ADN

Los marcadores moleculares se basan en polimorfismos de la secuencia de ADN. Los principales tipos son:

• RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism): corte del ADN con enzimas de restricción y separación por electroforesis. Son codominantes, pero caros, consumen tiempo y requieren radiactividad.
• RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA): amplificación aleatoria del ADN mediante PCR. No son codominantes (van por presencia/ausencia de banda) y su repetibilidad es compleja.
• SSR (Simple Sequence Repeats o microsatélites): analizan regiones con secuencias cortas repetidas que varían entre individuos. Son codominantes y muy utilizados.
• SNP (Single Nucleotide Polymorphism): se basan en la variación de un solo nucleótido (A, T, C, G). Son codominantes, muy abundantes y los más importantes en la actualidad.

Retrocruzamiento

Empleado en mejora como solución a la falta de un carácter basado en un gen mayor. Mediante el retrocruzamiento podemos llegar a introducir ese carácter. Se necesita:

• Parental recurrente: adecuado agronómicamente, pero sin un carácter determinado (un buen cultivar que no posee resistencia a cierta enfermedad).
• Parental donante: cultivar obsoleto, pero con el carácter que se pretende.

Introducción de un alelo dominante mediante retrocruzamiento: P. recurrente: (G)aa; P. donante: (H)AA; genotipo buscado: (G)AA.

1. Se cruzan ambos parentales y el híbrido resultante se cruza con el recurrente.
2. En cada generación han de eliminarse los genotipos recesivos.
3. Cuando se ha obtenido un genotipo similar al recurrente y con nuestro alelo en heterocigosis, se realiza una autofecundación.
4. Se identifican los individuos homocigóticos para el carácter deseado en la 2.ª generación de autofecundación.

Introducción de un alelo recesivo mediante retrocruzamiento: P. recurrente: (G)AA; P. donante: (H)aa; genotipo buscado: (G)aa.

1. Se cruzan ambos parentales y el híbrido resultante se cruza con el recurrente, sucesivamente, hasta obtener una mezcla.
2. No se ha de eliminar ninguna planta de los retrocruces que se realicen.
3. Se autofecundan todas las plantas y de aquellas que segreguen se tomará el genotipo buscado, que tendrá el carácter buscado.

Métodos de selección y obtención de líneas puras

Selección masal simple

Se parte de una variedad población. Se toman las semillas de las mejores plantas (elegidas individualmente), que mezcladas forman la siguiente generación. Sabemos que existe variabilidad genética en la variedad mejorada (a pesar de que sigue siendo población de líneas puras). Por ejemplo: AAbbCCdd y aabbCCDD. Hoy día este método se puede emplear en agricultura de subsistencia.

Selección planta a surco o línea

Se eligen ciertos individuos de una población. Las semillas de estos se siembran en surcos o líneas, eligiéndose las mejores líneas y desechando el resto. Dentro de las líneas no se realiza selección, ya que son líneas puras. Las líneas seleccionadas se sembrarán al año siguiente en pequeñas parcelas, habiendo en estas más plantas de cada genotipo. Se evalúa con mayor precisión el rendimiento.

12. Base genética de los caracteres cuantitativos

Los caracteres cuantitativos están controlados por muchos genes de pequeño efecto, llamados genes menores o poligenes, y están muy influidos por el ambiente.

Cada gen tiene dos o más alelos que aportan un valor al fenotipo. Por ejemplo: A = +3 y a = +1. El efecto de cada alelo se suma al de los demás. Esto se llama efecto aditivo. Para calcular el valor de los genotipos, se suman los valores de sus alelos. Por ejemplo: AA = 3 + 3 = 6; Aa = 3 + 1 = 4; aa = 1 + 1 = 2. Si intervienen varios genes, se suman los efectos de los alelos de todos ellos.

El fenotipo depende tanto de los genes como del ambiente (suelo, riego, temperatura, abonado, luz, plagas, etc.). El modelo básico es: F = G + E, donde F = fenotipo (carácter observable), G = efecto genético y E = efecto ambiental.

Algunas resistencias a enfermedades son caracteres cuantitativos, aunque la mayoría son cualitativos. Los cuantitativos dependen de muchos genes de pequeño efecto y están muy influidos por el ambiente. El efecto genético (G) se puede descomponer en:

• Componente aditivo (A): efecto que aporta cada alelo respecto al otro.
• Componente de dominancia (D): aparece cuando un alelo influye sobre el otro y el heterocigoto (Aa) presenta un valor diferente del esperado al sumar los efectos de sus alelos.

La dominancia puede ser:

• Parcial: h < d.
• Completa: h = d.
• Superdominancia: h > d.

Poblaciones en especies alógamas. Ley de Hardy-Weinberg

«La proporción de individuos homocigotos dominantes (AA), heterocigotos (Aa) y homocigotos recesivos (aa) en una población panmíctica, grande y aislada se mantiene constante de generación en generación siempre que no existan fuerzas externas que modifiquen estas proporciones». Estas proporciones genotípicas (y alélicas) ideales se conocen también como proporciones de equilibrio o simplemente equilibrio panmíctico. Las condiciones de esta ley no se suelen cumplir en la realidad (solo en pocos casos).

Método genealógico o pedigree

Se sigue un control riguroso de los descendientes de cada planta perteneciente a F2. Se procede a los siguientes pasos tras el cruzamiento:

1. De un número aleatorio de 1000 semillas se obtienen 1000 plantas de F2. De cada planta F2 se toman semillas que se sembrarán en surco o línea, dando como resultado la F3.
2. Se realiza la evaluación con respecto a rendimiento, resistencia, etc., para la selección de las mejores líneas. La intensidad de selección dependerá de la heredabilidad, oscilando entre el 10 y el 15 %. Durante estas primeras fases resulta de gran ayuda los marcadores de ADN.
3. Una vez seleccionadas las semillas de las mejores líneas, se vuelven a sembrar para dar como resultado la F4. Al ser un cultivo autógamo, cada ciclo supone un incremento de homocigosis y de pureza de cada línea.
4. En cada una de las generaciones se realiza una selección de las mejores líneas. Además, se conoce en todo momento la ascendencia de cada línea.
5. Llegada la generación F8, hay cierto grado de homocigosis, por lo que se tienen 8-10 líneas con suficiente cantidad de semilla para realizar ensayos en miniparcelas.

Método masal con cruzamiento

1. Se realizan todos los cruzamientos elegidos. La semilla F2 se mezcla y se siembra en una parcela en condiciones similares a campo.
2. Recogida de semilla de F2, que sería la F3. Se eliminan de esa F3 las líneas claramente inferiores, prácticamente como selección natural. Este proceso se mantiene hasta la F7 u F8.
3. En la 7.ª u 8.ª generación se realiza una selección «planta a surco» durante 2 o 3 generaciones. Para ello, las semillas de plantas F7 se siembran y luego se seleccionan las mejores líneas. Se repite el proceso en F8.

Método de semilla única

1. De cada F2 se recoge una sola semilla, que será la representante de la generación siguiente.
2. De la planta resultante se vuelve a sembrar una única semilla, y así sucesivamente durante 7-8 generaciones hasta conseguir homocigosis.
3. No hay ningún tipo de evaluación ni selección. En la última generación (F7-F8) se realiza una selección planta a línea, durante dos o tres generaciones, hasta conseguir los mejores genotipos.

Dobles haploides

1. El grano de polen es haploide, pudiéndose cultivar in vitro para dar lugar a una pequeña plántula.
2. Para ahorrar los ciclos de siembra y cosecha repetidos, se puede emplear colchicina para duplicar el número de cromosomas y obtener tejidos diploides para todos los genes en una sola generación.
3. Se tomaría el polen de plantas de F1, que son las de mayor porcentaje de heterocigosis, para obtener plantas haploides sobre las que se aplicaría colchicina.
4. La colchicina provoca la acumulación de dos cromátidas de cada cromosoma homólogo en la misma célula. Todo esto permite obtener plantas diploides y totalmente homocigóticas, siendo líneas puras en un solo ciclo.

Ventajas: se puede ahorrar 2-3 años. Inconvenientes: solo es viable en unos pocos cultivos (cebada, trigo, colza, melón, berenjena y maíz).

Método tradicional de obtención de líneas puras

Similar al método genealógico en autógamas. Partimos de una variedad población de la cual se toman varias plantas y se autofecundan durante varias generaciones (7-8). Las descendencias de esos genotipos se siembran en líneas. Se evalúan todas las líneas (o familias) y se seleccionan las mejores (son heterocigotas, hay segregación). De ellas se eligen de 1 a 3 buenas plantas, que se autofecundan de nuevo. A partir de la tercera generación solo se elige una planta por familia, ya que las familias son más homocigotas y hay menos segregación, y así hasta la F7-8. A partir de unas 500 plantas iniciales se pueden obtener unas 20 líneas puras con buenos caracteres (aunque sean consanguíneas).

Obtención de un híbrido mediante androesterilidad genético-citoplasmática

1. Mantenimiento de la línea pura hembra androestéril. La línea androestéril (S)rf rf ha de ser conservada por medio de cruzamiento, en condiciones de aislamiento, con una idéntica a ella pero de polen fértil, llamada línea mantenedora (N) rf rf. La línea pura macho deberá llevar los genes restauradores de la fertilidad. No importa su citoplasma, ya que éste no se transmite vía masculina. Lo que importa es que lleve los genes restauradores de la fertilidad para garantizar que toda la semilla híbrida produzca polen fértil en la siguiente generación.
2. La parcela de producción de semilla híbrida se dispone en aislamiento alternando 4-6 líneas femeninas por cada masculina. La semilla comercial se recoge exclusivamente sobre aquella.

Detección y obtención de formas androestériles: aloplasmia

1. Tenemos dos especies: A (pariente silvestre) y B (planta cultivada).
2. Queremos obtener una línea androestéril con el citoplasma de A (silvestre) y el núcleo de B (cultivar).
3. Este híbrido se retrocruza varias veces con polen de B hasta obtener una línea con citoplasma de A y núcleo de B. Esta línea (aloplásmica) será androestéril con alta probabilidad.

Cruzamientos

1. Elegir parentales con características adecuadas y complementarias. Realizar el cruzamiento y recoger la semilla (F1).
2. Sembrar la F1 y dejarla crecer (esperar el periodo de juvenilidad).
3. Evaluar y seleccionar las mejores plantas. Los marcadores moleculares pueden agilizar el proceso de selección. Con los marcadores de ADN se pueden realizar análisis en estado de semilla o plántula. Se puede hacer selección en árboles individuales, ya que se evalúan durante varios años consecutivos.
4. De los árboles seleccionados se hacen clones (estaquillas) y se plantan o injertan en líneas para evaluarlas durante varios años (rendimiento, resistencia a enfermedades).

Mutagénesis artificial

1. Tomar una serie de clones de una determinada variedad (esquejes, estaquillas…). Someterlos a tratamiento mutagénico (rayos X, EMS).
2. Sembrar estos clones mutados y evaluarlos para calidad del fruto, resistencia a enfermedades, rendimiento…
3. Seleccionar los mejores clones, multiplicar cada uno de ellos y plantarlos como filas o parcelas. Volver a realizar la selección fijándose más en el rendimiento.