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Desarrollan un nuevo cultivo a partir de un tomate silvestre con edición genética

La variedad de tomate grande “Giant Heirloom”, común en la agricultura moderna (derecha) y el fruto típico de una especie silvestre relacionada (S. pimpinellifolium). Foto de Bai y Lindhout (2007).

Por primera vez los investigadores han creado, dentro de una sola generación, un nuevo cultivo desde una planta silvestre (el progenitor de nuestro tomate moderno) mediante el uso de un moderno proceso de edición del genoma. Comenzando con un ‘tomate silvestre’ se logró, al mismo tiempo, introducir una variedad de características ventajosas (mayor tamaño, número de frutos, forma ovalada y más antioxidantes) al cultivo sin perder las valiosas propiedades genéticas de la planta silvestre.

Los cultivos como el trigo y el maíz han pasado por un proceso de mejoramiento genético que ha durado miles de años, en el curso de los cuales la humanidad ha modificado gradualmente las propiedades de las plantas silvestres en variantes altamente cultivadas acorde a sus necesidades.

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Un motivo fue el mayor rendimiento, y un efecto secundario de esta reproducción ha sido una reducción en la diversidad genética y la pérdida de propiedades útiles. Esto se demuestra, por ejemplo, por una mayor susceptibilidad a las enfermedades, falta de sabor o contenido reducido de vitaminas y nutrientes en las variedades modernas.

Ahora, por primera vez, investigadores de Brasil, Estados Unidos y Alemania han creado un nuevo cultivo a partir de una planta silvestre en una sola generación utilizando CRISPR-Cas9, una técnica moderna de edición del genoma. Comenzando con un tomate silvestre, introdujeron una variedad de características en el cultivo sin perder las valiosas propiedades genéticas de la planta silvestre. Los resultados han sido publicados en la edición actual de Nature Biotechnology.

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“Este nuevo método nos permite comenzar desde cero y comenzar un proceso de domesticación totalmente de nuevo”, dice el biólogo Prof. Jörg Kudla de la Universidad de Münster (Alemania), cuyo equipo está involucrado en el estudio. “Al hacerlo, podemos utilizar todo el conocimiento sobre genética vegetal y domesticación de plantas que los investigadores han acumulado en las últimas décadas. Podemos preservar el potencial genético y las propiedades particularmente valiosas de las plantas silvestres y, al mismo tiempo, producir las características deseadas de los cultivos modernos en muy poco tiempo”. En total, los investigadores pasaron unos tres años trabajando en sus estudios.

Como las especies de plantas parentales (padres), los investigadores eligieron Solanum pimpinellifolium, un tomates silvestres de América del Sur, y además progenitor del tomate cultivado moderno. Los frutos de las plantas silvestres son solo del tamaño de porotos y el rendimiento es bajo, dos propiedades que lo hacen inadecuado como cultivo. Por otro lado, la fruta es más aromática que los tomates modernos, que han perdido parte de su sabor debido al mejoramiento y domesticación. Además, la fruta silvestre contiene más licopeno, un compuesto antioxidante con potenciales propiedades protectoras contra algunos tipos de cáncer.

Los investigadores modificaron la planta silvestre utilizando múltiples secuencias de CRISPR-Cas9 de tal manera que las plantas descendientes presentaban pequeñas modificaciones genéticas en seis genes. Estos genes decisivos se consideran la clave genética de las características en el tomate domesticado moderno. Específicamente, los investigadores produjeron las siguientes modificaciones al genoma del tomate silvestre: la fruta modificada es tres veces más grande que el tomate silvestre, que corresponde al tamaño de un tomate cherry. Las plantas producen 10 veces la cantidad de frutas, y su forma es más ovalada que la fruta silvestre de forma redonda. Esta propiedad es popular porque, cuando llueve, las frutas redondas se abren más rápido que las frutas ovaladas. Las plantas también tienen un crecimiento más compacto.

El nuevo tomate editado para cultivo (derecha) tiene una variedad de características de domesticación que lo distinguen de la planta silvestre (izquierda). Los detalles (en el sentido de las agujas del reloj): Produce más flores y, por lo tanto, da más fruto, el fruto es más grande y de forma ovalada en lugar de redondo. El tomate editado contiene más licopeno, que se nota a través de un color rojo más profundo del jugo, y la planta tiene un crecimiento más compacto. © Agustin Zsögön/Nature Biotechnology

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Otra nueva propiedad importante es que el contenido de licopeno en la nueva variedad de tomate editado es más del doble que en el progenitor silvestre, y al menos cinco veces más alto que en los tomates cherry convencionales modernos. “Esta es una innovación decisiva que no puede lograrse mediante ningún proceso de reproducción convencional con tomates cultivados actualmente”, dice Jörg Kudla. “El licopeno puede ayudar a prevenir el cáncer y las enfermedades cardiovasculares. Por lo tanto, desde el punto de vista de la salud, el tomate que hemos creado probablemente tenga un valor adicional en comparación con los tomates cultivados convencionales y otras verduras, que solo contienen licopeno en cantidades muy limitadas”. Hasta ahora, agrega, los mejoradores han intentado aumentar sin éxito el contenido de licopeno en los tomates cultivados. Sin embargo, en los casos en que tuvieron éxito, esto fue a expensas del contenido de betacaroteno, que también protege las células y, por lo tanto, es un nutriente valioso.

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Jörg Kudla resume el dilema de la agricultura moderna: “Nuestros cultivos modernos son el resultado del mejoramiento genético, con todas sus ventajas y desventajas. Se han perdido muchas propiedades, como la capacidad de recuperación, y solo podríamos recuperarlas en un proceso laborioso de décadas (de retrocruzamiento con la planta silvestre) como mucho. La razón es que las propiedades que son el resultado de la interacción entre numerosos genes no pueden restaurarse a través de los procesos de mejoramiento tradicional. En muchos aspectos, la domesticación es como una calle de un solo sentido. Con la ayuda de la edición moderna del genoma, podemos usar las ventajas de la planta silvestre y resolver este problema de mejoramiento. En resumen, la domesticación molecular ‘de novo’ ofrece un enorme potencial; también para producir nuevas propiedades deseables”.

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Además, agrega el profesor Kudla, ahora será posible tomar plantas sanas que hasta el momento no han sido utilizadas por los humanos, y mediante un aumento específico en el tamaño de sus frutos o al mejorar otras características de domesticación, transformarlos en cultivos para cosecha totalmente nuevos.

Los investigadores utilizaron el método CRISPR/Cas9 para identificar y desactivar los genes en la planta de Solanum pimpinellifolium por medio de las llamadas “mutaciones de pérdida de función”. De entre las plantas modificadas genéticamente de esta manera, se seleccionaron plantas parentales maduras adecuadas. Los investigadores examinaron la descendencia de estas plantas parentales en busca de sus características externas visibles y analizaron sus propiedades.

Los investigadores involucrados en el estudio fueron de la Universidad Federal de Viçosa y la Universidad de São Paulo (Brasil), la Universidad de Minnesota (EE. UU.) y la Universidad de Münster (Alemania). El trabajo en el estudio recibió apoyo financiero del Ministerio de Educación e Investigación de Alemania y, en el lado brasileño, de la Agencia Federal para la Educación Terciaria CAPES, el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la organización de investigación FAPESP.

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