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Edición genética para combatir las plagas resistentes en el algodón

Una oruga del gusano del algodón (Helicoverpa armigera) se prepara para devorar una cápsula de algodón. (Foto: Wenxue Pan / Nanjing University)

Investigadores han identificado una mutación genética dominante que hace que los gusanos del algodón sean resistentes a algunas variedades del cultivo diseñadas precisamente para resistencia a plagas. El uso de herramientas como la genómica y la edición de genes en el estudio marca una nueva era en los esfuerzos para promover un control de plagas más sostenible.

En la batalla más reciente en la interminable guerra entre agricultores y plagas, estos últimos están contra-atacando al adaptarse contra los cultivos genéticamente diseñados para matarlos – un fenómeno natural causado por presión selectiva, observado desde la década de 1950 en cultivos convencionales que son fumigados con pesticidas.

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Un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) identifica una mutación predominantemente hereditaria que confiere resistencia al algodón genéticamente modificado en los gusanos de la cápsula del algodón, una de las plagas agrícolas más destructivas del mundo. El uso de vanguardia del estudio de la genómica y la edición de genes marca una nueva era en los esfuerzos globales para promover un control de plagas más sostenible.

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Los entomólogos de la Universidad de Arizona, la Universidad de Tennessee y la Universidad Agrícola de Nanjing en China colaboraron en el estudio de tres partes. Sus objetivos fueron identificar la mutación que confiere resistencia a la proteína Bt en los gusanos de la cápsula, editar con precisión un gen del gusano de la cápsula para probar que esta mutación causa la resistencia y descubrir cómo la resistencia se está extendiendo a través de los campos de algodón en China.

“Es una notable historia de detectives”, dijo Bruce Tabashnik, profesor regente en el Departamento de Entomología de la UA y coautor del estudio. “Sin los últimos avances en tecnología genética, no habría sido posible encontrar el único cambio en el par de bases del ADN que causa la resistencia entre los cientos de millones de pares de bases en el genoma del gusano de la cápsula”.

Durante años, los científicos han sabido que los insectos pueden desarrollar resistencia a las proteínas Bt, al igual que a los insecticidas convencionales. Sin embargo, la resistencia a la proteína Bt se hereda recesivamente en casi todos los casos estudiados anteriormente. Esto significa que los insectos deben tener dos copias del gen de resistencia, una de cada padre, para que puedan alimentarse y sobrevivir en el cultivo Bt (con una sola copia, la resistencia no se expresa).

Para combatir la resistencia, los agricultores siembran “refugios” de cultivos convencionales sin la proteína Bt, donde los insectos susceptibles a esta proteína pueden prosperar. La idea es que los insectos resistentes que aparezcan en los cultivos Bt, se apareen con los insectos susceptibles más abundantes de la zona de refugio, produciendo descendientes que albergan solo una copia del gen de resistencia. Con una resistencia hereditaria recesiva, tales descendientes no sobreviven al cultivo Bt.

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Aunque los refugios no detienen por completo la evolución de la resistencia, pueden retrasarla sustancialmente, especialmente cuando la resistencia es recesiva.

Pero en China, el estudio informa que la resistencia dominante de los gusanos a la proteína Bt está en aumento. Sólo una copia de una mutación dominante hace que un gusano de la cápsula sea resistente.

Debido a que la base genética de la resistencia dominante al Bt era desconocida previamente, los investigadores tuvieron que examinar el genoma completo del gusano de la cápsula para encontrar al culpable. Al comparar el ADN de gusanos resistentes y susceptibles, redujeron la búsqueda de 17,000 genes a una región de solo 21 genes asociados con la resistencia.

“Pero solo 17 de esos genes codifican proteínas producidas por los gusanos”, dijo Tabashnik, explicando que solo las orugas del gusano se alimentan de algodón y pueden ser eliminadas por las proteínas Bt.

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“Al comparar las secuencias de esos 17 genes entre las cepas, solo hubo una diferencia consistente”, dijo Tabashnik. “Hubo una posición en la que todos los gusanos de la cápsula resistentes tenían un par de bases de ADN y todos los gusanos de la cápsula susceptibles tenían un par de bases de ADN diferente”.

Este par de bases pivotal se encuentra en un gen recientemente identificado llamado HaTSPAN1, que codifica una tetraspanina, una proteína que contiene cuatro segmentos que abarcan las membranas de las células Aunque la función normal de HaTSPAN1 no se conoce, muchas otras tetraspaninas son importantes en la comunicación de célula a célula. A pesar de casi 30,000 estudios previos de Bt o tetraspaninas, el nuevo estudio es el primero en encontrar una conexión fuerte entre ellos.

Con el par de bases mutantes identificados, el segundo desafío fue determinar si esta mutación única causa resistencia. Para averiguarlo, el equipo de investigación utilizó la herramienta de edición de genes CRISPR para alterar con precisión solamente el gen HaTSPAN1. Cuando el gen se eliminó en gusanos resistentes, se volvieron completamente susceptibles a la proteína Bt. A la inversa, cuando la mutación se insertó en el ADN de gusanos susceptibles, se volvieron resistentes, lo que demuestra que el cambio de un solo par de bases solo puede causar resistencia.

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El último paso fue probar la hipótesis de que esta mutación contribuye a la resistencia al algodón Bt en el campo. Al detectar la mutación en el ADN de miles de gusanos recolectados entre 2006 y 2016, los investigadores encontraron que la frecuencia de la mutación aumentó en un factor de 100, de 1 en 1,000 a 1 en 10.

Los gusanos resistentes aún no son lo suficientemente numerosos como para disminuir notablemente la producción de algodón en China, pero el gen dominante se está propagando más rápido que otros genes de resistencia. El análisis de Tabashnik predice que si la tendencia actual continúa, la mitad de los gusanos de algodón del norte de China tendrán resistencia conferida por esta mutación dentro de cinco años.

“Si las cosas continúan en la misma trayectoria, esta es la mutación que va a causar problemas a los agricultores en el campo”, dijo Tabashnik.

Sin embargo, es lo suficientemente temprano para que los agricultores en China cambien sus tácticas y rechacen la resistencia Bt. El documento menciona que podrían cambiar del algodón que produce solo una proteína Bt a los tipos de algodón cultivados en los Estados Unidos y Australia, que producen dos o tres proteínas Bt distintas. Tabashnik espera que la nueva investigación estimule una mayor sostenibilidad para los agricultores.

“Les da la información para tomar decisiones constructivas y proactivas antes de que sea demasiado tarde”, dijo Tabashnik.

Al muestrear las poblaciones de plagas de un año a otro, los agricultores e investigadores pueden aprender qué métodos son más efectivos para evitar la resistencia.

Entender la resistencia del gusano de la cápsula tiene implicaciones globales porque ocurre en más de 150 países y ahora amenaza con invadir los Estados Unidos.

“Será interesante detectar esta mutación en el gusano del algodón de Australia, India y Brasil”, dijo Yidong Wu, profesor de entomología en la Universidad Agrícola de Nanjing, quien dirigió la investigación en China.

Por supuesto, la tecnología para escanear genomas no se limita a una especie de plaga de cultivos.

“Los datos muestran que las exploraciones genómicas serán útiles para monitorear la evolución de la resistencia no solo para Bt, sino también para los insecticidas en general”, dijo Fred Gould, quien no participó en el estudio pero es profesor de entomología en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y miembro de la academia nacional de ciencias.

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