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mejoramiento vegetal

La variedad de trigo Yecoro (derecha) es sensible a la salinidad; las plantas resultantes de un cruce híbrido con la variedad W4910 (izquierda) muestran una mayor tolerancia a l...

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La variedad de trigo Yecoro (derecha) es sensible a la salinidad; las plantas resultantes de un cruce híbrido con la variedad W4910 (izquierda) muestran una mayor tolerancia a la alta salinidad.

El mejoramiento vegetal es la ciencia de modificar los rasgos de las plantas para producir características deseadas. [ 1 ] Se utiliza para mejorar la calidad de los productos vegetales destinados al consumo humano y animal. [ 2 ] Los objetivos del mejoramiento vegetal son producir variedades de cultivos que presenten rasgos únicos y superiores para diversas aplicaciones. Los rasgos agrícolas más frecuentemente estudiados son aquellos relacionados con la tolerancia al estrés biótico y abiótico, el rendimiento de grano o biomasa, las características de calidad para el uso final, como el sabor o las concentraciones de moléculas biológicas específicas (proteínas, azúcares, lípidos, vitaminas, fibras) y la facilidad de procesamiento (cosecha, molienda, horneado, malteado, mezcla, etc.). [ 3 ]

El mejoramiento vegetal puede realizarse mediante diversas técnicas, desde la selección de las plantas más deseables para su propagación, hasta métodos que utilizan el conocimiento de la genética y los cromosomas, e incluso técnicas moleculares más complejas. Los genes de una planta determinan sus características cualitativas o cuantitativas. Los fitomejoradores se esfuerzan por obtener un resultado específico en las plantas y, potencialmente, nuevas variedades [ 2 ] , y al hacerlo, reducen la diversidad genética de dicha variedad a unos pocos biotipos específicos [ 4 ] .

Se practica en todo el mundo por personas como jardineros y agricultores, y por fitomejoradores profesionales empleados por organizaciones como instituciones gubernamentales , universidades, asociaciones industriales específicas de cultivos o centros de investigación. Las agencias de desarrollo internacional consideran que el mejoramiento de nuevos cultivos es importante para garantizar la seguridad alimentaria mediante el desarrollo de nuevas variedades con mayor rendimiento, resistentes a enfermedades, tolerantes a la sequía o adaptadas regionalmente a diferentes entornos y condiciones de cultivo. [ 5 ]

Un estudio de 2023 muestra que, sin el mejoramiento genético de plantas, Europa habría producido un 20 % menos de cultivos agrícolas en los últimos 20 años, consumiendo 21,6 millones de hectáreas adicionales (53 millones de acres) de tierra y emitiendo 4 mil millones de toneladas (3,9 × 10⁹ toneladas largas ; 4,4 × 10⁹ toneladas cortas) de carbono. [ 6 ] [ 7 ] Las especies de trigo creadas para Marruecos se están cruzando actualmente con plantas para crear nuevas variedades para el norte de Francia. La soja, que antes se cultivaba predominantemente en el sur de Francia , ahora se cultiva en el sur de Alemania. [ 6 ] [ 8 ]   

Historia

El mejoramiento de plantas comenzó con la agricultura sedentaria y, en particular, con la domesticación de las primeras plantas agrícolas , una práctica que se estima que data de hace entre 9.000 y 11.000 años. [ 9 ] Inicialmente, los primeros agricultores simplemente seleccionaban plantas alimenticias con características deseables específicas y las empleaban como progenitoras para las generaciones posteriores, lo que dio como resultado una acumulación de rasgos valiosos con el tiempo.

La técnica del injerto se practicaba en China antes del 2000 a. C. [ 10 ]

Hacia el año 500 a. C., el injerto estaba bien establecido y practicado. [ 11 ]

Gregor Mendel (1822-1884) es considerado el "padre de la genética ". Sus experimentos con la hibridación de plantas lo llevaron a establecer las leyes de la herencia . La genética impulsó la investigación para mejorar la producción de cultivos mediante el mejoramiento genético de las plantas.

La cría selectiva desempeñó un papel crucial en la Revolución Verde del siglo XX.

El mejoramiento vegetal moderno se basa en la genética aplicada, pero su fundamento científico es más amplio y abarca la biología molecular , la citología , la sistemática , la fisiología , la patología , la entomología , la química y la estadística ( biometría ). Además, ha desarrollado su propia tecnología.

Mejoramiento clásico de plantas

Durante cientos de años, la selección artificial potenció las características deseables de la col silvestre ( Brassica oleracea ), dando como resultado docenas de cultivos agrícolas actuales. La col , la col rizada , el brócoli y la coliflor son todos cultivares de esta planta.

Una técnica importante del mejoramiento vegetal es la selección , el proceso de propagar selectivamente plantas con características deseables y eliminar o "descartar" aquellas con características menos deseables. [ 12 ]

Otra técnica consiste en el cruzamiento deliberado de individuos emparentados, ya sea cercana o lejanamente, para producir nuevas variedades o líneas de cultivos con propiedades deseables. Las plantas se cruzan para introducir rasgos / genes de una variedad o línea en un nuevo trasfondo genético. Por ejemplo, un guisante resistente al mildiú puede cruzarse con un guisante de alto rendimiento pero susceptible, con el objetivo de introducir resistencia al mildiú sin perder las características de alto rendimiento. La descendencia del cruzamiento se cruzaría luego con el progenitor de alto rendimiento para asegurar que la descendencia sea lo más parecida posible a este ( retrocruzamiento ). La descendencia de ese cruzamiento se evaluaría en cuanto a rendimiento (selección, como se describió anteriormente) y resistencia al mildiú, y las plantas resistentes de alto rendimiento se desarrollarían aún más. Las plantas también pueden cruzarse entre sí para producir variedades endogámicas para el mejoramiento genético. Los polinizadores pueden excluirse mediante el uso de bolsas de polinización .

El mejoramiento clásico se basa principalmente en la recombinación homóloga entre cromosomas para generar diversidad genética . El fitomejorador clásico también puede utilizar diversas técnicas in vitro, como la fusión de protoplastos , el rescate de embriones o la mutagénesis (véase más adelante), para generar diversidad y producir plantas híbridas que no existirían en la naturaleza .

Entre los rasgos que los mejoradores han intentado incorporar a los cultivos se incluyen:

  1. Calidad mejorada , como mayor valor nutricional, mejor sabor o mayor belleza.
  2. Mayor rendimiento del cultivo
  3. Mayor tolerancia a las presiones ambientales ( salinidad , temperaturas extremas , sequía ).
  4. Resistencia a virus , hongos y bacterias.
  5. Mayor tolerancia a las plagas de insectos
  6. Mayor tolerancia a los herbicidas
  7. Mayor período de almacenamiento para la cosecha recolectada.

Antes de la Segunda Guerra Mundial

Catálogo de Garton de 1902

Gartons Agricultural Plant Breeders en Inglaterra fue establecida en 1880, y se convirtió en una empresa pública en 1898, por John Garton, quien fue uno de los primeros en comercializar nuevas variedades de cultivos agrícolas creadas a través de la polinización cruzada. [ 13 ] La primera introducción de la empresa fue laAvena Abundancia , unavariedad de avena . [ 14 ] [ 15 ] Es una de las primeras variedades de grano agrícola obtenidas mediante un cruce controlado , introducida en el comercio en 1892. [ 14 ] [ 15 ]

A principios del siglo XX, los fitomejoradores se percataron de que los hallazgos de Gregor Mendel sobre la naturaleza no aleatoria de la herencia podían aplicarse a poblaciones de plántulas producidas mediante polinizaciones deliberadas para predecir las frecuencias de diferentes tipos. Se desarrollaron híbridos de trigo para aumentar la producción agrícola de Italia durante la llamada " Batalla por el Grano " (1925-1940). George Harrison Shull explicó la heterosis , que describe la tendencia de la descendencia de un cruce específico a superar a ambos progenitores. La detección de la utilidad de la heterosis para el fitomejoramiento ha llevado al desarrollo de líneas endogámicas que muestran una ventaja de rendimiento heterótica al cruzarse. El maíz fue la primera especie en la que se utilizó ampliamente la heterosis para producir híbridos.

También se desarrollaron métodos estadísticos para analizar la acción génica y distinguir la variación hereditaria de la variación causada por el ambiente. En 1933 , Marcus Morton Rhoades describió otra técnica importante de mejoramiento genético: la esterilidad masculina citoplasmática (CMS), desarrollada en el maíz . La CMS es un rasgo de herencia materna que hace que la planta produzca polen estéril . Esto permite la producción de híbridos sin necesidad de realizar una laboriosa desespigmentación .

Estas técnicas de mejoramiento genético tempranas dieron como resultado un gran aumento en el rendimiento de los cultivos en Estados Unidos a principios del siglo XX. Aumentos similares en el rendimiento no se produjeron en otros lugares hasta después de la Segunda Guerra Mundial ; la Revolución Verde incrementó la producción agrícola en el mundo en desarrollo en la década de 1960.

Después de la Segunda Guerra Mundial

Cultivo in vitro de Vitis (vid), Instituto de Mejora Genética de la Vid de Geisenheim

Tras la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron diversas técnicas que permitieron a los fitomejoradores hibridar especies lejanamente emparentadas e inducir artificialmente la diversidad genética.

Cuando se cruzan especies lejanamente emparentadas, los fitomejoradores utilizan diversas técnicas de cultivo de tejidos vegetales para producir descendencia a partir de cruces que, de otro modo, serían infructuosos. Los híbridos interespecíficos e intergenéricos se producen a partir del cruce de especies o géneros emparentados que normalmente no se reproducen sexualmente entre sí. Estos cruces se denominan cruces amplios . Por ejemplo, el cereal triticale es un híbrido de trigo y centeno . Las células de las plantas derivadas de la primera generación creada a partir del cruce contenían un número impar de cromosomas y, como resultado, eran estériles. Se utilizó el inhibidor de la división celular colchicina para duplicar el número de cromosomas en la célula y, de este modo, permitir la producción de una línea fértil.

La imposibilidad de producir un híbrido puede deberse a incompatibilidad pre o post- fecundación . Si la fecundación es posible entre dos especies o géneros, el embrión híbrido puede abortar antes de madurar. En tal caso, el embrión resultante de un cruce interespecífico o intergenérico a veces puede rescatarse y cultivarse para producir una planta completa. Este método se conoce como rescate de embriones . Esta técnica se ha utilizado para producir un nuevo arroz para África , un cruce interespecífico de arroz asiático (Oryza sativa) y arroz africano (O. glaberrima ).

Los híbridos también pueden producirse mediante una técnica denominada fusión de protoplastos . En este caso, los protoplastos se fusionan, generalmente en un campo eléctrico. Los recombinantes viables pueden regenerarse en cultivo.

Para la mutagénesis se utilizan mutágenos químicos como el metanosulfonato de etilo (EMS) y el sulfato de dimetilo (DMS), la radiación y los transposones . La mutagénesis es la generación de mutantes. El mejorador busca obtener características deseables mediante el cruce con otros cultivares , un proceso conocido como mejoramiento genético por mutación . Los mejoradores de plantas clásicos también generan diversidad genética dentro de una especie mediante la variación somaclonal , que se produce en plantas cultivadas in vitro, especialmente en plantas derivadas de callos . También se puede utilizar la poliploidía inducida y la adición o eliminación de cromosomas mediante una técnica denominada ingeniería cromosómica .

Investigación agrícola sobre plantas de patata

Cuando se ha incorporado un rasgo deseable a una especie mediante el mejoramiento genético, se realizan varios cruces con el progenitor preferido para que la nueva planta sea lo más similar posible a este. Volviendo al ejemplo del guisante resistente al mildiú que se cruza con un guisante de alto rendimiento pero susceptible, para que la descendencia resistente al mildiú sea lo más parecida posible al progenitor de alto rendimiento, la descendencia se vuelve a cruzar con ese progenitor durante varias generaciones (véase retrocruzamiento ). Este proceso elimina la mayor parte de la contribución genética del progenitor resistente al mildiú. Por lo tanto, el mejoramiento genético clásico es un proceso cíclico.

Con las técnicas de mejoramiento clásicas, el mejorador desconoce con exactitud qué genes se han introducido en los nuevos cultivares. Por ello, algunos científicos argumentan que las plantas producidas mediante estos métodos deberían someterse al mismo régimen de pruebas de seguridad que las plantas genéticamente modificadas . Se han dado casos en los que plantas obtenidas mediante técnicas clásicas no han sido aptas para el consumo humano; por ejemplo, la solanina, una toxina, se incrementó involuntariamente a niveles inaceptables en ciertas variedades de patata mediante el mejoramiento genético. Las nuevas variedades de patata suelen someterse a pruebas para detectar los niveles de solanina antes de su comercialización.

Incluso con lo último en mejoramiento convencional asistido por biotecnología , la incorporación de un rasgo requiere un promedio de siete generaciones para cultivos propagados clonalmente , nueve para autofecundación y diecisiete para polinización cruzada . [ 16 ] [ 17 ]

Mejora genética moderna de plantas

El mejoramiento vegetal moderno puede utilizar técnicas de biología molecular para seleccionar, o en el caso de la modificación genética, para insertar, características deseables en las plantas. La aplicación de la biotecnología o la biología molecular también se conoce como mejoramiento molecular .

Actualmente, las modernas instalaciones de biología molecular se utilizan en el mejoramiento genético de las plantas.

Selección asistida por marcadores

En ocasiones, muchos genes diferentes pueden influir en un rasgo deseable en el mejoramiento vegetal. El uso de herramientas como marcadores moleculares o huellas genéticas permite mapear miles de genes. Esto permite a los mejoradores vegetales examinar grandes poblaciones de plantas para identificar aquellas que poseen el rasgo de interés. El análisis se basa en la presencia o ausencia de un gen determinado mediante procedimientos de laboratorio, en lugar de la identificación visual del rasgo expresado en la planta. El objetivo de la selección asistida por marcadores, o análisis del genoma vegetal, es identificar la ubicación y la función ( fenotipo ) de diversos genes dentro del genoma. Si se identifican todos los genes, se procede a la secuenciación del genoma . Todas las plantas tienen genomas de tamaños y longitudes variables, con genes que codifican diferentes proteínas, pero muchos también son iguales. Si se identifica la ubicación y la función de un gen en una especie vegetal, es probable que también se encuentre un gen muy similar en una ubicación similar en el genoma de otra especie relacionada. [ 18 ]

Haploidía duplicada y reproducción inversa

Se pueden producir plantas homocigotas con rasgos deseables a partir de plantas iniciales heterocigotas , si se puede producir una célula haploide con los alelos para esos rasgos, y luego usarla para hacer un haploide doble . El haploide doble será homocigoto para los rasgos deseados. Además, dos plantas homocigotas diferentes creadas de esa manera se pueden usar para producir una generación de plantas híbridas F1 que tienen las ventajas de la heterocigosidad y una mayor gama de rasgos posibles. Así, una planta heterocigota individual elegida por sus características deseables puede convertirse en una variedad heterocigota (híbrido F1) sin necesidad de reproducción vegetativa , sino como resultado del cruce de dos líneas homocigotas/haploides dobles derivadas de la planta seleccionada originalmente. [ 19 ] Este atajo se ha denominado "cruzamiento inverso". [ 20 ] El cultivo de tejidos vegetales puede producir líneas y generaciones de plantas haploides o doble haploides. Esto reduce la diversidad genética extraída de esa especie vegetal para seleccionar rasgos deseables que aumenten la aptitud de los individuos. El uso de este método disminuye la necesidad de cruzar múltiples generaciones de plantas para obtener una generación homogénea para los rasgos deseados, ahorrando así mucho tiempo en comparación con la versión natural del mismo proceso. Existen muchas técnicas de cultivo de tejidos vegetales que se pueden utilizar para obtener plantas haploides, pero el cultivo de microsporas es actualmente el más prometedor para producir la mayor cantidad de ellas. [ 18 ]

Modificación genética

La modificación genética de las plantas se logra mediante la adición de uno o varios genes específicos, o mediante la inactivación de un gen con ARN de interferencia (ARNi) , para producir un fenotipo deseado . Las plantas resultantes de la adición de un gen se denominan a menudo plantas transgénicas . Si para la modificación genética se utilizan genes de la especie o de una planta de cruzamiento bajo el control de su promotor nativo, se denominan plantas cisgénicas . En ocasiones, la modificación genética puede producir una planta con el rasgo o rasgos deseados más rápidamente que el mejoramiento clásico, ya que la mayor parte del genoma de la planta no se altera.

Para modificar genéticamente una planta, se debe diseñar una construcción genética que permita la expresión del gen que se desea añadir o eliminar. Para ello, se introduce en la planta un promotor que impulse la transcripción y una secuencia de terminación que la detenga, junto con el gen o genes de interés. También se incluye un marcador para la selección de las plantas transformadas. En el laboratorio , la resistencia a los antibióticos es un marcador de uso común: las plantas transformadas con éxito crecen en medios que contienen antibióticos; las que no lo son mueren. En algunos casos, los marcadores de selección se eliminan mediante retrocruzamiento con la planta progenitora antes de su comercialización.

El constructo puede insertarse en el genoma de la planta mediante recombinación genética utilizando las bacterias Agrobacterium tumefaciens o A. rhizogenes , o mediante métodos directos como la pistola génica o la microinyección . También es posible utilizar virus vegetales para insertar constructos genéticos en las plantas, pero esta técnica está limitada por el rango de hospedadores del virus. Por ejemplo, el virus del mosaico de la coliflor (CaMV) solo infecta la coliflor y especies afines. Otra limitación de los vectores virales es que el virus no suele transmitirse a la descendencia, por lo que cada planta debe ser inoculada.

La mayoría de las plantas transgénicas comercializadas actualmente se limitan a plantas que han introducido resistencia a plagas de insectos y herbicidas . La resistencia a los insectos se logra mediante la incorporación de un gen de Bacillus thuringiensis (Bt) que codifica una proteína tóxica para algunos insectos. Por ejemplo, el gusano de la cápsula del algodón , una plaga común del algodón, se alimenta de algodón Bt , ingiere la toxina y muere. Los herbicidas generalmente actúan uniéndose a ciertas enzimas de las plantas e inhibiendo su acción. [ 21 ] Las enzimas que inhibe el herbicida se conocen como el " sitio objetivo " del herbicida . La resistencia a los herbicidas se puede introducir en los cultivos mediante la expresión de una versión de la proteína del sitio objetivo que no sea inhibida por el herbicida. Este es el método utilizado para producir plantas de cultivo resistentes al glifosato (" Roundup Ready ").

La modificación genética puede aumentar aún más los rendimientos al incrementar la tolerancia al estrés en un entorno determinado. El estrés, como la variación de temperatura, se transmite a la planta mediante una cascada de moléculas de señalización que activan un factor de transcripción para regular la expresión génica . Se ha demostrado que la sobreexpresión de genes específicos implicados en la aclimatación al frío produce mayor resistencia a la congelación, una causa común de pérdida de rendimiento [ 22 ].

La modificación genética de plantas que pueden producir productos farmacéuticos (y químicos industriales), a veces llamada pharming , es un área nueva y bastante radical del mejoramiento vegetal. [ 23 ]

El debate en torno a los alimentos genéticamente modificados durante la década de 1990 alcanzó su punto álgido en 1999 en términos de cobertura mediática y percepción de riesgo, [ 24 ] y continúa hoy en día; por ejemplo, « Alemania ha respaldado una creciente rebelión europea contra los cultivos genéticamente modificados al prohibir la siembra de una variedad de maíz resistente a las plagas ampliamente cultivada » . [ 25 ] El debate abarca el impacto ecológico de las plantas genéticamente modificadas , la seguridad de los alimentos genéticamente modificados y conceptos utilizados para la evaluación de la seguridad, como la equivalencia sustancial . Estas preocupaciones no son nuevas en el mejoramiento vegetal. La mayoría de los países cuentan con procesos regulatorios para ayudar a garantizar que las nuevas variedades de cultivos que ingresan al mercado sean seguras y satisfagan las necesidades de los agricultores. Algunos ejemplos incluyen el registro de variedades, los programas de semillas, las autorizaciones regulatorias para plantas transgénicas, etc.

La cría y el microbioma

El mejoramiento industrial de plantas ha alterado involuntariamente la forma en que los cultivares agrícolas se asocian con su microbioma. [ 26 ] En el maíz, por ejemplo, el mejoramiento ha alterado los taxones del ciclo del nitrógeno necesarios para la rizosfera, con líneas más modernas que reclutan menos taxones fijadores de nitrógeno y más nitrificantes y desnitrificantes . [ 27 ] Los microbiomas de las líneas de mejoramiento mostraron que las plantas híbridas comparten gran parte de su comunidad bacteriana con sus progenitores, como las semillas de Cucurbita y los endófitos de brotes de manzana. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] Además, la contribución proporcional del microbioma de los progenitores a la descendencia corresponde a la cantidad de material genético aportado por cada progenitor durante el mejoramiento y la domesticación. [ 30 ]

Fenotipado e inteligencia artificial

A partir de 2020El aprendizaje automático —y especialmente el aprendizaje profundo— se ha vuelto más común en la fenotipificación . La visión artificial mediante aprendizaje automático ha avanzado considerablemente y ahora se aplica a la fenotipificación de hojas y otras tareas que normalmente se realizan a simple vista. Los trabajos de Pound et al. (2017) y Singh et al. (2016) son ejemplos particularmente destacados de aplicaciones exitosas iniciales y demuestran la utilidad general del proceso en múltiples especies de plantas. Estos métodos funcionarán aún mejor con grandes conjuntos de datos abiertos disponibles públicamente . [ 31 ]

Cría rápida

Watson et al. 2018 introdujeron la cría acelerada. También es posible el fenotipado clásico (realizado por humanos) durante la cría acelerada, utilizando un procedimiento desarrollado por Richard et al. 2015. A partir de 2020Se prevé que la SB y el fenotipado automatizado, combinados, produzcan resultados mucho mejores ; véase el apartado «  Fenotipado e inteligencia artificial» más arriba. [ 31 ]

Selección genómica (SG)

La plataforma NGS ha reducido sustancialmente el tiempo y el costo necesarios para la secuenciación y ha facilitado el descubrimiento de SNP en plantas modelo y no modelo. Esto, a su vez, ha llevado al uso de marcadores SNP a gran escala en enfoques de selección genómica que buscan predecir los valores de cría genómicos (GEBV) de los genotipos en una población determinada. Este método puede aumentar la precisión de la selección y disminuir el tiempo de cada ciclo de cría. Se ha utilizado en diferentes cultivos como el maíz, el trigo, etc. [ 32 ] [ 33 ]

Mejoramiento participativo de plantas

El mejoramiento participativo de plantas (PPB, por sus siglas en inglés) se da cuando los agricultores participan en un programa de mejoramiento de cultivos, con oportunidades para tomar decisiones y contribuir al proceso de investigación en diferentes etapas. [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] Los enfoques participativos para el mejoramiento de cultivos también pueden aplicarse cuando se utilizan biotecnologías vegetales para el mejoramiento de cultivos. [ 37 ] Los sistemas agrícolas locales y la diversidad genética se fortalecen mediante programas participativos, y los resultados mejoran gracias al conocimiento de los agricultores sobre la calidad requerida y la evaluación del entorno objetivo. [ 38 ]

Una revisión de 2019 sobre el mejoramiento genético participativo de plantas indicó que no había logrado una aceptación generalizada a pesar de su historial de éxito en el desarrollo de variedades con mayor diversidad y calidad nutricional, así como una mayor probabilidad de que estas variedades mejoradas fueran adoptadas por los agricultores. Esta revisión también encontró que el mejoramiento genético participativo de plantas tenía una mejor relación costo-beneficio que los enfoques no participativos, y sugirió incorporar el mejoramiento genético participativo de plantas con el mejoramiento genético evolutivo de plantas. [ 39 ]

Mejora genética evolutiva de las plantas

El mejoramiento genético evolutivo de plantas describe prácticas que utilizan poblaciones masivas con genotipos diversos cultivados bajo selección natural competitiva. La supervivencia en entornos de cultivo comunes es el método de selección predominante, en lugar de la selección directa por parte de los agricultores y mejoradores. Las plantas individuales que se ven favorecidas por las condiciones de cultivo predominantes, como el ambiente y los insumos, contribuyen con más semillas a la siguiente generación que los individuos menos adaptados. [ 40 ] El Banco Nacional de Genes de Nepal ha utilizado con éxito el mejoramiento genético evolutivo de plantas para preservar la diversidad de variedades locales dentro del arroz Jumli Marshi, reduciendo al mismo tiempo su susceptibilidad a la enfermedad de la piriculariosis. Estas prácticas también se han utilizado en Nepal con variedades locales de frijol. [ 41 ]

En 1929, Harlan y Martini propusieron un método de mejoramiento vegetal con poblaciones heterogéneas mediante la agrupación de un número igual de semillas F2 obtenidas de 378 cruces entre 28 cultivares de cebada geográficamente diversos. En 1938, Harlan y Martini demostraron la evolución por selección natural en poblaciones dinámicas mixtas, ya que unas pocas variedades que se volvieron dominantes en algunas localidades casi desaparecieron en otras; las variedades poco adaptadas desaparecieron en todas partes. [ 42 ]

Las poblaciones de mejoramiento evolutivo se han utilizado para establecer sistemas autorregulados planta-patógeno. Un ejemplo es la cebada, donde los mejoradores lograron mejorar la resistencia a la escaldadura causada por Rynchosporium secalis durante 45 generaciones. [ 8 ] Un proyecto de mejoramiento evolutivo cultivó poblaciones de soja híbrida F5 en suelo infestado por el nematodo del quiste de la soja y logró aumentar la proporción de plantas resistentes del 5% al ​​40%. El mejoramiento evolutivo de plantas del Centro Internacional de Investigación Agrícola en Zonas Áridas (ICARDA) se combina con el mejoramiento participativo para permitir a los agricultores elegir las variedades que mejor se adapten a sus necesidades en su entorno local. [ 8 ]

Un influyente esfuerzo de Coit A. Suneson en 1956 para codificar este enfoque acuñó el término mejoramiento evolutivo de plantas y concluyó que se requieren 15 generaciones de selección natural para producir resultados competitivos con el mejoramiento convencional. [ 43 ] El mejoramiento evolutivo permite trabajar con poblaciones de plantas mucho más grandes que el mejoramiento convencional. [ 42 ] También se ha utilizado junto con prácticas convencionales para desarrollar líneas de cultivo tanto heterogéneas como homogéneas para sistemas agrícolas de bajos insumos que presentan condiciones de estrés impredecibles. [ 44 ]

El mejoramiento evolutivo de plantas se ha dividido en cuatro etapas: [ 40 ]

  • Etapa 1: Se crea diversidad genética, por ejemplo, mediante cruces manuales de especies endogámicas o la mezcla de cultivares en especies alógamas.
  • Etapa 2: Multiplicación de las semillas
  • Etapa 3: Las semillas de cada cruce se mezclan para producir la primera generación de la Población de Cruce Compuesto (PCC). Toda la descendencia se siembra para que crezca y produzca semillas. A medida que aumenta el número de plantas en la población, una parte de las semillas cosechadas se guarda para la siembra.
  • Etapa 4: La semilla puede utilizarse para continuar con el mejoramiento evolutivo de las plantas o como punto de partida para un programa de mejoramiento convencional.

Problemas e inquietudes

Cría y seguridad alimentaria

Entre los problemas que enfrenta el mejoramiento genético de plantas en el futuro se incluyen la escasez de tierras cultivables, las condiciones de cultivo cada vez más adversas y la necesidad de mantener la seguridad alimentaria, lo que implica poder proporcionar a la población mundial una nutrición suficiente. Los cultivos deben poder madurar en diversos entornos para permitir el acceso mundial, lo que implica resolver problemas como la tolerancia a la sequía. Se ha sugerido que las soluciones globales son alcanzables mediante el proceso de mejoramiento genético de plantas, gracias a su capacidad para seleccionar genes específicos que permiten que los cultivos alcancen un nivel que produzca los resultados deseados. [ 45 ] Un problema que enfrenta la agricultura es la pérdida de variedades locales y otras variedades autóctonas que poseen diversidad y que podrían tener genes útiles para la adaptación climática en el futuro. [ 8 ]

El mejoramiento convencional limita intencionalmente la plasticidad fenotípica dentro de los genotipos y limita la variabilidad entre genotipos. [ 44 ] La uniformidad no permite que los cultivos se adapten al cambio climático y a otros estrés bióticos y abióticos . [ 8 ]

Derechos de los obtentores de plantas

Los derechos de los obtentores de plantas son un tema importante y controvertido. La producción de nuevas variedades está dominada por obtentores comerciales, quienes buscan proteger su trabajo y obtener regalías mediante acuerdos nacionales e internacionales basados ​​en derechos de propiedad intelectual . El abanico de cuestiones relacionadas es complejo. En términos sencillos, los críticos de las regulaciones cada vez más restrictivas argumentan que, mediante una combinación de presiones técnicas y económicas, los obtentores comerciales están reduciendo la biodiversidad y limitando significativamente a los particulares (como los agricultores) para desarrollar y comercializar semillas a nivel regional. [ 46 ] Se están realizando esfuerzos para fortalecer los derechos de los obtentores, por ejemplo, mediante la ampliación de los períodos de protección de las variedades.

La legislación sobre propiedad intelectual de las plantas suele emplear definiciones que incluyen la uniformidad genética y una apariencia inmutable a lo largo de las generaciones. Estas definiciones legales de estabilidad contrastan con el uso agronómico tradicional, que considera la estabilidad en términos de la consistencia del rendimiento o la calidad de un cultivo en diferentes lugares y a lo largo del tiempo. [ 40 ]

A partir de 2020, la normativa en Nepal solo permite el registro o la liberación de variedades uniformes. Las poblaciones de plantas evolutivas y muchas variedades locales son polimórficas y no cumplen con estos estándares. [ 41 ]

Factores de estrés ambiental

Los cultivares uniformes y genéticamente estables pueden ser inadecuados para hacer frente a las fluctuaciones ambientales y a los nuevos factores de estrés. [ 40 ] Los fitomejoradores se han centrado en identificar cultivos que garanticen su rendimiento en estas condiciones; una forma de lograrlo es encontrar variedades del cultivo que sean resistentes a la sequía con bajo contenido de nitrógeno. Es evidente que el fitomejoramiento es vital para la supervivencia de la agricultura futura, ya que permite a los agricultores producir cultivos resistentes al estrés, mejorando así la seguridad alimentaria. [ 47 ] En países que experimentan inviernos rigurosos, como Islandia , Alemania y más al este de Europa, los fitomejoradores participan en el mejoramiento para la tolerancia a las heladas, la capa de nieve continua, la sequía por heladas (desecación por viento y radiación solar bajo heladas) y los altos niveles de humedad en el suelo durante el invierno. [ 48 ]

Proceso a largo plazo

El mejoramiento genético no es un proceso rápido, lo cual es especialmente importante cuando se busca mitigar una enfermedad. El tiempo promedio desde que el ser humano reconoce una nueva amenaza de enfermedad fúngica hasta que se obtiene un cultivo resistente a ese patógeno es de al menos doce años. [ 17 ] [ 49 ]

Mantener condiciones específicas

Cuando se obtienen nuevas variedades o cultivares de plantas, es necesario mantenerlos y propagarlos. Algunas plantas se propagan asexualmente, mientras que otras lo hacen mediante semillas. Los cultivares propagados por semillas requieren un control específico sobre la fuente de semillas y los procedimientos de producción para mantener la integridad de los resultados de la variedad. El aislamiento es necesario para evitar la contaminación cruzada con plantas emparentadas o la mezcla de semillas después de la cosecha. El aislamiento se logra normalmente mediante la distancia de siembra, pero en ciertos cultivos, las plantas se mantienen en invernaderos o jaulas (lo más común en la producción de híbridos F1).

Valor nutricional

El mejoramiento vegetal moderno, ya sea clásico o mediante ingeniería genética, plantea problemas preocupantes, especialmente en lo que respecta a los cultivos alimentarios. La cuestión de si el mejoramiento puede tener un efecto negativo en el valor nutricional es fundamental en este sentido. Aunque se ha realizado relativamente poca investigación directa en esta área, existen indicios científicos de que, al favorecer ciertos aspectos del desarrollo de una planta, otros aspectos pueden verse retrasados. Un estudio publicado en el Journal of the American College of Nutrition en 2004, titulado " Cambios en los datos de composición de alimentos del USDA para 43 cultivos de jardín, 1950 a 1999" , comparó el análisis nutricional de vegetales realizado en 1950 y en 1999, y encontró disminuciones sustanciales en seis de los 13 nutrientes medidos, incluyendo un 6% de proteína y un 38% de riboflavina . También se encontraron reducciones en calcio , fósforo , hierro y ácido ascórbico . El estudio, realizado en el Instituto Bioquímico de la Universidad de Texas en Austin , concluyó en resumen: "Sugerimos que cualquier disminución real se explica generalmente con mayor facilidad por los cambios en las variedades cultivadas entre 1950 y 1999, en los que puede haber compensaciones entre el rendimiento y el contenido de nutrientes". [ 50 ]

El mejoramiento vegetal puede contribuir a la seguridad alimentaria mundial, ya que es una herramienta rentable para aumentar el valor nutricional de los forrajes y cultivos. Desde 1960 se han registrado mejoras en el valor nutricional de los cultivos forrajeros gracias al uso de la química analítica y la tecnología de fermentación ruminal; esta ciencia y tecnología permitió a los mejoradores analizar miles de muestras en poco tiempo, lo que les facilitó la identificación de híbridos de alto rendimiento. La mejora genética se centró principalmente en la digestibilidad in vitro de la materia seca (DIVMS), con un incremento del 0,7 % al 2,5 %. Con tan solo un 1 % de aumento en la DIVMS, un solo ejemplar de Bos Taurus, también conocido como ganado vacuno de carne, registró un incremento del 3,2 % en las ganancias diarias. Esta mejora indica que el mejoramiento vegetal es una herramienta esencial para impulsar la agricultura futura hacia un nivel más avanzado. [ 51 ]

Producir

Con el aumento de la población, la producción de alimentos debe incrementarse en consecuencia. Se estima que para 2050 se necesita un aumento del 70 % en la producción de alimentos para cumplir con la Declaración de la Cumbre Mundial sobre Seguridad Alimentaria. Sin embargo, debido a la degradación de las tierras agrícolas, simplemente plantar más cultivos ya no es una opción viable. En algunos casos, se pueden desarrollar nuevas variedades de plantas mediante el mejoramiento genético que generen un aumento del rendimiento sin necesidad de incrementar la superficie cultivada. Un ejemplo de esto se observa en Asia, donde la producción de alimentos per cápita se ha duplicado. Esto se ha logrado no solo mediante el uso de fertilizantes, sino también mediante el uso de cultivos mejorados, diseñados específicamente para la zona. [ 52 ] [ 53 ]

El papel del mejoramiento vegetal en la agricultura ecológica.

Algunos críticos de la agricultura orgánica afirman que su rendimiento es demasiado bajo para ser una alternativa viable a la agricultura convencional en situaciones en las que ese bajo rendimiento puede ser resultado, en parte, del cultivo de variedades poco adaptadas. [ 54 ] [ 55 ] Se estima que más del 95 % de la agricultura orgánica se basa en variedades adaptadas convencionalmente, a pesar de que los entornos de producción que se encuentran en los sistemas de agricultura orgánica y convencional son muy diferentes debido a sus prácticas de manejo distintivas. [ 55 ] En particular, los agricultores orgánicos tienen menos insumos disponibles que los productores convencionales para controlar sus entornos de producción. El mejoramiento de variedades específicamente adaptadas a las condiciones únicas de la agricultura orgánica es fundamental para que este sector alcance su máximo potencial. Esto requiere la selección de rasgos como: [ 55 ]

  • eficiencia en el uso del agua
  • Eficiencia en el uso de nutrientes (en particular nitrógeno y fósforo )
  • Competitividad de las malas hierbas
  • Tolerancia al control mecánico de malezas
  • Resistencia a plagas/enfermedades
  • Madurez temprana (como mecanismo para evitar tensiones particulares)
  • Tolerancia al estrés abiótico (es decir, sequía, salinidad, etc.)

Actualmente, pocos programas de mejoramiento genético se dirigen a la agricultura orgánica y, hasta hace poco, los que abordaban este sector generalmente se basaban en la selección indirecta (es decir, selección en ambientes convencionales para rasgos considerados importantes para la agricultura orgánica). Sin embargo, debido a la gran diferencia entre los ambientes orgánicos y convencionales, un genotipo determinado puede comportarse de manera muy diferente en cada ambiente debido a una interacción entre los genes y el ambiente (véase interacción gen-ambiente ). Si esta interacción es lo suficientemente severa, un rasgo importante requerido para el ambiente orgánico puede no manifestarse en el ambiente convencional, lo que puede resultar en la selección de individuos poco adaptados. [ 54 ] Para asegurar la identificación de las variedades más adaptadas, los defensores del mejoramiento orgánico ahora promueven el uso de la selección directa (es decir, selección en el ambiente objetivo) para muchos rasgos agronómicos.

Existen muchas técnicas de mejoramiento clásicas y modernas que pueden utilizarse para el mejoramiento de cultivos en la agricultura orgánica a pesar de la prohibición de los organismos genéticamente modificados . Por ejemplo, los cruces controlados entre individuos permiten que la variación genética deseable se recombine y se transfiera a la descendencia de semillas mediante procesos naturales. La selección asistida por marcadores también puede emplearse como herramienta de diagnóstico para facilitar la selección de la descendencia que posee el/los rasgo(s) deseado(s), acelerando enormemente el proceso de mejoramiento. [ 56 ] Esta técnica ha demostrado ser particularmente útil para la introgresión de genes de resistencia en nuevos fondos genéticos, así como para la selección eficiente de muchos genes de resistencia piramidados en un solo individuo. Actualmente no se dispone de marcadores moleculares para muchos rasgos importantes, especialmente aquellos complejos controlados por muchos genes.

Lista de obtentores de plantas destacados

Véase también

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  • Deppe, Carol (2000). Cultiva tus propias variedades de hortalizas . Chelsea Green Publishing.
  • Comunidad de práctica de extensión en mejoramiento genético vegetal y genómica : materiales educativos y de capacitación para mejoradores de plantas y profesionales afines.
  • Actualizaciones sobre el mejoramiento genético de plantas
  • Hibridación de plantas cultivadas : una amplia guía práctica sobre hibridación vegetal.
  • Infografía sobre la historia del mejoramiento vegetal
  • Glosario de terminología de mejoramiento vegetal de la Open Plant Breeding Foundation
  • Asociación Nacional de Obtentores de Plantas (NAPB)
  • La Iniciativa de Alianza Global para el Desarrollo de Capacidades en el Mejoramiento Genético de Plantas (GIPB)
  • Base de datos de variedades mutantes del programa FAO/OIEA
  • Declaración de política de la FDA: Alimentos derivados de nuevas variedades de plantas
  • Una raza aparte: Guía del obtentor de plantas para prevenir patentes mediante la publicación defensiva, por Cydnee V. Bence y Emily J. Spiegel, 2019.
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