New Breeding Techniques (NBT’s): Una nueva era en el mejoramiento de plantas

Ante un complejo escenario de la agricultura mundial y de generación de alimentos, hoy en día existen nuevos desafíos para el sector. Una de las problemáticas que más está comenzando a influir sobre el sector silvoagropecuario es el cambio climático. Dentro del plan de adaptación a este nuevo escenario está el uso, observación y conservación de especies tolerantes a condiciones climáticas extremas. Surge entonces, la necesidad de contar con recursos biológicos que sigan siendo productivos en condiciones de estrés térmico, estrés hídrico y/o estrés salino. Sin duda, de aquí en adelante todos éstos deben ser objetivos de los nuevos programas de mejoramiento genético para cultivos agrícolas vulnerables al cambio climático en Chile.

En la última década, se han desarrollado nuevas técnicas de ingeniería genética. Éstas tienen una característica en común: los productos finales obtenidos (plantas o ciertas partes de ellas) no presentan genes foráneos o distintos a los de la especie utilizada. En otras palabras, entre el mejoramiento genético clásico por hibridación y la transgenia, se han desarrollado un conjunto de nuevas tecnologías intermedias, y que están desafiando no sólo a los investigadores, sino también a la legislación, pues, podrían ser considerados en varias legislaciones como técnicas No GMO.

Las NBTs pueden ser clasificadas de acuerdo al tipo de técnicas base que utilizan, encontrándose por ejemplo, la mutagénesis dirigida por un molde (oligo), las variantes de la transformación genética (cisgenia e intragenia), o la edición del genoma (por ej. CRISPR). Existen también otras aproximaciones que utilizan transgénicos en el proceso global, como las técnicas de “segregantes negativos” o “injertación mixta”, que implican un paso de transgénesis como intermediario en la producción de especies mejoradas. En general, podemos decir que todas estas tecnologías buscan un aporte al mejoramiento genético vegetal, y hoy las llamamos mejoramiento de precisión.

Mejoramiento genético de precisión

Es un conjunto de técnicas que busca la modificación del ADN de la planta, preferentemente en un sitio predeterminado, con el fin de generar mejores variedades. Las técnicas de mayor uso actual, las que incluso ya han generado nuevos productos en comercialización, son descritas a continuación.

1. a) Técnicas vinculadas a la transformación genética.

Las técnicas que se describen en esta categoría no son técnicas nuevas desde su concepción metodológica, porque ambas implican transformación genética por métodos tradicionales como Agrobacterium y biobalística. La novedad en su utilización radica en que su producto final difiere de las plantas netamente transgénicas ya que se han utilizado genes de la misma especie o de especies que sean compatibles sexualmente por cruzamiento.

-Cisgénesis-intragénesis: La cisgénesis e intragénesis son dos términos creados por los científicos que implican la introducción al genoma de un planta de fragmentos de DNA de la misma especie o de especies sexualmente compatibles, a diferencia de la transgénesis que implica la inserción de fragmentos de ADN desde cualquier organismo, sea procarionte o eucarionte. En el caso de la cisgénesis, el fragmento que se desea introducir tiene la misma estructura y orden de los elementos regulatorios del gen de interés que el presente en la especie de origen, en cambio, la intragénesis altera el orden de los elementos regulatorios del fragmento de ADN de la misma especie o de especies compatibles sexualmente, generando nuevas combinaciones en la expresión de los genes implicados. Ambas alternativas pueden producir nuevas propiedades en la planta modificada. Sin embargo, por definición, solo la cisgénesis puede producir una especie de similares condiciones a la obtenida por mejoramiento convencional, aunque en mucho menor tiempo.

-Injertos de vástagos no transgénicos sobre porta injertos transgénicos: La injertación es una técnica de propagación vegetativa en donde una sección superior (tallos) de una planta es fusionada a una sección inferior (tallo enraizado) de otra planta. Esta técnica se usa frecuentemente en el cultivo comercial de frutas, árboles, uvas, tomates, pepino y algunas flores como las rosas. La sección superior es seleccionada por las propiedades que presenta el tallo, las hojas, flores o frutos y se denomina vástago, y la sección inferior se selecciona por las características que presente las raíces y se denomina porta injerto. El éxito del injerto se debe a la correcta unión de los sistemas vasculares de ambos tejidos utilizados.

-Mutagénesis dirigida por oligonucléotidos (ODM): Se utiliza para generar mutaciones genéticas precisas en el genoma de la planta. Se utilizan pequeños “moldes” de oligonucleótidos de entre 20 y 100 residuos, que comparten homología con la secuencia que deseamos modificar, exceptuando en uno o dos nucleótidos que se quieren modificar. Los oligonucleótidos molde se introducen en la célula vegetal (utilizando técnicas especiales como “biobalística” o “electroporación”), y así luego hibridarán con la secuencia escogida, generando un apareamiento global del molde menos en la zona del nucleótido modificado. Al ocurrir la reparación del ADN en presencia del “molde”, se tendrá una modificación puntual de dicha zona debido a esta ligera variación.

-Segregantes negativos. A este tipo de técnicas también se les conoce como técnicas de mejoramiento dirigidas por genes que aceleran y facilitan una selección dentro de una población, los que luego son removidos del individuo (producto) final a través de un proceso de segregación por cruzamientos y selecciones. Por ejemplo, la aceleración del cruzamiento a través del uso de un parental que posea inducción temprana de la floración, rasgo otorgado mediante el uso de genes de floración incorporados por transgenia. Individuos transgénicos portando un gen de floración rápida (por ejemplo el conocido “FT”) se utilizarán como parentales para poder seleccionar un segundo rasgo de interés para el fruto (por ej. contenido de azúcar). Una vez elegido el individuo que posea dicho rasgo de interés, se buscará que éste pierda el carácter de floración rápida (transgén) por retrocruzamiento con parentales no transgénicos.

1. b) Técnicas vinculadas a la edición del genoma.

Son un grupo de tecnologías que busca generar modificaciones puntuales en el genoma, pudiendo o no introducir nuevo ADN en el genoma receptor. Aquella condición en donde no es introducido nuevo ADN al genoma, será material no reconocido como genéticamente modificado (no OGM).

-Nucleasas con capacidad de unión específica a ADN: Son proteínas que se componen por un dominio (o zona) modificable para unión al DNA (por ejemplo, conocidas como dominio “dedos de Zinc”) fusionado a un segundo dominio de corte del ADN. Estas nucleasas se unen a secuencias específicas del DNA (las que se pueden seleccionar) e introducen un corte en la doble hebra, el cual es posteriormente reparado por la misma célula. De ello puede resultar que podemos interrumpir la secuencia de genes específicos. Las diversas nucleasas de edición pueden variar en su forma de unión al ADN ya que reconocen distintos módulos de nucleótidos del ADN. Por ejemplo, aquellas que usan “dedos de Zinc” reconocen y se unen a zonas definidas por tres nucleótidos; mientras otras, llamadas Nucleasas tipo activador transcripcional (TALEN), son capaces de reconocer módulos más simples consistentes en un solo nucleótido en el genoma. Por ejemplo, para reconocer 15 nucleótidos en línea en un genoma, se necesitarán posicionar 5 dominios dedos de Zinc o 15 dominios TALEN. De ello, es posible decir que las TALEN son más flexibles que las “dedos de Zinc”, pero también más laboriosas de generar en el laboratorio. En la actualidad existen plataformas públicas disponibles en la red que ayudan a diseñar dominios dedos de Zinc y TALEN específicos, de acuerdo a diferentes estrategias de ensamblaje. Esta técnica puede producir mutaciones simples o pequeñas inserciones o deleciones en el genoma que deseamos modificar.

Existe un tercer tipo de nucleasas de edición conocidas como meganucleasas, éstas reconocen secuencias de ADN entre 12 y 30 pares de bases en el genoma y también producen un corte de la doble hebra de ADN para luego activar la maquinaria celular de reparación del ADN; a diferencia de las TALEN y “dedos de Zinc”, las meganucleasas son proteínas que constituyen tecnología propietaria de las compañías que las han desarrollado.

-CRISPR – Cas: Es un sistema de nucleasas de ADN originalmente descubierto en bacterias. Tal como las nucleasas ya descritas, acá se utiliza una denominada Cas y que actúa asistida por un guía que consiste en ARN (ARN guía). El ARN guía, que consta de 20 residuos o nucleótidos, reconocerá segmentos complementarios (apareamiento tipo Watson y Crick) para unirse y guiar a la nucleasa Cas. Ésta procederá al corte del ADN en la zona reconocida, generando que la maquinaria de reparación concurra a esta zona. Como resultado se podrán obtener individuos que en su reparación hayan perdido algunos nucleótidos, generando una modificación de la zona y así una edición de ella. Como se ha dicho, también es posible utilizar un molde ADN al momento de la reparación, generando una inserción en la zona reconocida por los ARN guía.

Columna de opinión de Humberto Prieto, Bioquímico, Dr. en Bioquímica, investigador INIA La Platina