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El mejoramiento molecular acelera el desarrollo de mejores semillas

La necesidad de pruebas continuas y la aplicación de nuevos métodos de mejoramiento genético para producir variedades de semillas resistentes a un ritmo más rápido es ahora más importante que nunca.

CIMMYT / 27 de noviembre, 2020.- Para enfrentar de manera adecuada a las plagas y enfermedades de las plantas que cambian rápidamente, y salvaguardar la seguridad alimentaria de una población en crecimiento, los fitomejoradores, en colaboración con sus socios, deben seguir probando y aplicando nuevos métodos de mejoramiento para producir variedades de semillas resistentes a un ritmo mucho más rápido utilizando recursos mínimos. Los marcadores moleculares son esenciales en este sentido y están ayudando a acelerar las ganancias genéticas y entregar mejores semillas a los pequeños agricultores en el África subsahariana en un período de tiempo mucho más corto.

Los progresos realizados hasta ahora en el mejoramiento molecular de plantas, la genética, la selección genómica y la edición del genoma han contribuido a una comprensión más profunda del papel de los marcadores moleculares y han complementado en gran medida las estrategias de mejoramiento. Sin embargo, el fenotipado sigue siendo el proceso más costoso en el fitomejoramiento, lo que limita las opciones para aumentar el tamaño de los programas de mejoramiento.

La aplicación de marcadores moleculares aumenta la capacidad de predecir y seleccionar las líneas e híbridos de mejor rendimiento, antes de la selección en el campo. “Esto permite a los mejoradores ampliar el tamaño de un programa de mejoramiento o de las poblaciones en las que trabajan utilizando la misma cantidad de recursos”, dice Manje Gowda, mejorador molecular de maíz del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT).

“Hay tres etapas en el uso de marcadores moleculares: descubrimiento, validación y despliegue”, explica. «En la fase de descubrimiento, el objetivo es encontrar marcadores moleculares asociados o estrechamente vinculados con el rasgo de interés, al mismo tiempo que se evalúa si el rasgo es más complejo o más fácil de manejar con pocos marcadores para la selección».

Los marcadores moleculares identificados en la etapa de descubrimiento se validan en poblaciones independientes biparentales o retrocruzadas, y las asociaciones de marcadores de rasgos, que son consistentes en diferentes antecedentes genéticos y entornos diversos, se trasladan a la etapa de implementación. Aquí, se consideran para su uso en el mejoramiento, ya sea como parte de la selección asistida por marcadores o mejoramiento hacia adelante, el retrocruzamiento asistido por marcadores y la selección recurrente asistida por marcadores.

Detección de marcadores de resistencia

Los científicos del CIMMYT han descubierto varias asociaciones de marcadores de rasgos para las enfermedades de los cultivos, incluida la necrosis letal del maíz (MLN), el virus del rayado del maíz (MSV), la roya del maíz y el tizón común del maíz. Todos estos marcadores asociados a rasgos se han validado en poblaciones biparentales.

Para MLN, después de seleccionar varios miles de líneas, los investigadores identificaron algunas con resistencia contra la enfermedad viral, a saber, KS23-5 y KS23-6. Estas líneas se obtuvieron de poblaciones sintéticas desarrolladas por la Universidad Kasetsart en Tailandia y sirven como donantes de rasgos. Los investigadores pudieron utilizarlos como parte del mejoramiento progresivo, produciendo líneas de haploides dobles (DH) mediante el uso de KS23-6 como padre y la detección de la presencia de genes de resistencia a MLN.

“Este cribado ayuda a eliminar las líneas que pueden portar genes susceptibles, sin tener que fenotiparlas bajo inoculación artificial”, dice Gowda. «Estos marcadores también están disponibles para todos los socios para detectar la resistencia a MLN, lo que ahorra costos relacionados con el fenotipado».

Los científicos también utilizaron estos marcadores de resistencia a MLN para introducir la resistencia a MLN en varias líneas de élite que son altamente susceptibles a la enfermedad, pero que tienen otras características deseables, como un alto rendimiento de grano y tolerancia a la sequía. Se utilizó la técnica de retrocruzamiento asistido por marcadores para obtener la resistencia MLN de las líneas donantes KS23-5 y KS23-6. Este proceso implica el cruce de una línea comercial élite, como parental recurrente en el caso de las líneas élite del CIMMYT, con una línea parental donante (KS23) con resistencia a MLN. Luego, estos se retrocruzaron durante dos o tres ciclos para mejorar la línea élite que porta genes de resistencia a MLN. En los últimos tres años, se han introducido más de 50 líneas con el gen de resistencia MLN de la línea donante KS23-6.

Un impulso a los programas de mejoramiento

“El trabajo que ha estado llevando a cabo Manje Gowda es particularmente importante porque ha pasado con éxito del descubrimiento de marcadores valiosos y experimentos de prueba de concepto a métodos de mejoramiento escalables que se están utilizando de manera eficaz”, dice Mike Olsen, el Coordinador de Investigación Upstream y Trait Pipeline del CIMMYT. «Permitir la implementación rutinaria de marcadores moleculares para aumentar la eficiencia de selección de los programas de mejoramiento en el contexto de la mejora del maíz africano tiene un gran impacto».

En el CIMMYT, el equipo de Gowda aplicó la selección genómica en la etapa inicial de las pruebas del proceso de mejoramiento para diferentes perfiles de productos. “El objetivo era probar el cruce y el fenotipo del 50% de los híbridos de la etapa uno y predecir el rendimiento del 50% restante de los híbridos utilizando marcadores moleculares”, explica Gowda.

El equipo ha aplicado esta estrategia con éxito cada año desde 2017, y los resultados de este experimento muestran que la eficiencia de selección es la misma que cuando se usa la selección fenotípica, pero usando solo el 32% de los recursos. A partir de 2021, el objetivo es utilizar los datos fenotípicos y genotípicos de la Etapa Uno del año anterior para predecir el 100% de las líneas. Esto no solo ahorrará tiempo, sino que también mejorará la eficiencia y el uso de recursos. Los datos históricos de la Etapa Uno de los tres años anteriores están ayudando a reducir el fenotipado de las líneas del 50% al 15%, con un aumento del ahorro de recursos de hasta el 50%.

Para el sector de semillas comerciales, la integración de medidas de control de calidad basadas en marcadores moleculares puede ayudar a desplegar semillas de alta calidad, un factor importante para aumentar el rendimiento de los cultivos. En África subsahariana, la conciencia sobre la calidad basada en marcadores ha mejorado debido a una mayor formación de científicos y mejoradores en los sistemas nacionales de investigación agrícola (SNIA), empresas semilleras y organizaciones nacionales de protección fitosanitaria, así como reguladores y responsables de la formulación de políticas.

Actualmente, muchos SNIA y socios del sector privado están obligando a aplicar un control de calidad basado en marcadores para mantener semillas de alta calidad. Dado que los programas de mejoramiento de los SNIA y las empresas semilleras pequeñas y medianas son más pequeños, el CIMMYT está coordinando la recolección de muestras de diferentes socios para enviarlas a los proveedores de servicios con fines de control de calidad. El personal del CIMMYT también está ayudando a analizar los datos de control de calidad e interpretar los resultados para compartirlos con los socios para la toma de decisiones. Para la sostenibilidad de este proceso, el CIMMYT está capacitando a los socios del SNIA en el control de calidad, desde la recolección de muestras hasta el análisis e interpretación de datos, y esto los ayudará a trabajar de manera independiente y producir semillas de alta calidad.

Estas mejoras de mejoramiento se han vuelto indispensables para apoyar los programas de mejoramiento de maíz en los sectores público y privado para desarrollar y entregar variedades mejoradas de maíz a los pequeños agricultores de África subsahariana.

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