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Cría por mutación

Un experto sostiene semillas de sorgo que pasaron unos cinco meses en la Estación Espacial Internacional como parte de un proyecto de investigación para explorar los efectos de ...

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Un experto sostiene semillas de sorgo que pasaron unos cinco meses en la Estación Espacial Internacional como parte de un proyecto de investigación para explorar los efectos de la radiación cósmica y las duras condiciones del espacio en la mutación genética de los cultivos.

La mutagénesis , también conocida como " mejora por variación ", es el proceso de exponer semillas a sustancias químicas , radiación o enzimas [ 1 ] [ 2 ] para generar mutantes con características deseables que se cruzarán con otros cultivares . Las plantas creadas mediante mutagénesis se denominan a veces plantas mutagénicas o semillas mutagénicas.

Desde 1930 hasta 2014 se liberaron más de 3200 variedades de plantas mutagénicas [ 3 ] [ 4 ] que se derivaron como mutantes directos (70%) o de su progenie (30%). [ 5 ] Las plantas cultivadas representan el 75% de las especies mutagénicas liberadas, mientras que el 25% restante corresponde a plantas ornamentales o decorativas. [ 6 ] Sin embargo, aunque la FAO / OIEA informó en 2014 que se cultivaban más de 1000 variedades mutantes de los principales cultivos básicos en todo el mundo, [ 3 ] no está claro cuántas de estas variedades se utilizan actualmente en la agricultura o la horticultura a nivel mundial, ya que estas semillas no siempre se identifican o etiquetan como de procedencia mutagénica. [ 7 ]

Historia

Según la historiadora de jardines Paige Johnson:

Tras la Segunda Guerra Mundial, se realizó un esfuerzo concertado para encontrar usos «pacíficos» para la energía atómica . Una de las ideas consistía en bombardear plantas con radiación y producir numerosas mutaciones, algunas de las cuales, se esperaba, darían lugar a plantas con mayor producción de frutos, resistentes a enfermedades o al frío, o simplemente con colores inusuales. Los experimentos se llevaron a cabo principalmente en gigantescos jardines gamma ubicados en los terrenos de laboratorios nacionales de Estados Unidos, pero también en Europa y en países de la [ entonces ] URSS. [ 8 ]

Procesos

Existen diferentes tipos de mejoramiento mutagénico, como el uso de mutágenos químicos como el metanosulfonato de etilo y el sulfato de dimetilo , la radiación o los transposones para generar mutantes . El mejoramiento por mutación se utiliza comúnmente para producir características en los cultivos, como semillas más grandes, nuevos colores o frutos más dulces, que no se encuentran en la naturaleza o se han perdido durante la evolución. [ 9 ]

Radiación

La exposición de plantas a la radiación se denomina a veces mejoramiento por radiación y es una subclase del mejoramiento mutagénico. El mejoramiento por radiación se descubrió en la década de 1920 cuando Lewis Stadler, de la Universidad de Missouri , utilizó rayos X en maíz y cebada. En el caso de la cebada, las plantas resultantes eran blancas, amarillas, amarillo pálido y algunas tenían rayas blancas. [ 10 ] En 1928, Stadler publicó por primera vez sus hallazgos sobre la mutagénesis inducida por radiación en plantas. [ 11 ] Durante el período 1930-2024, las variedades mutantes inducidas por radiación se desarrollaron principalmente utilizando rayos gamma (64 %) y rayos X (22 %), [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 6 ] : 187 aunque se pueden aplicar otras fuentes de radiación como microondas o fotones de alta energía y electrones de alta energía. [ 15 ] [ 16 ]

La reproducción por radiación puede tener lugar en jardines atómicos ; [ 11 ] y se han enviado semillas a la órbita para exponerlas a una mayor radiación cósmica. [ 17 ]

La luz ultravioleta se ha utilizado, por ejemplo, para producirmutantespara la investigación dede virulenciadelos patógenos vegetales. [ 18 ]

Cría en el espacio

En el espacio, la capacidad de las plantas para desarrollarse y prosperar depende de condiciones como la microgravedad y la radiación cósmica . En teoría, las variaciones de estas condiciones podrían aumentar la probabilidad de mutación en una planta. China ha estado experimentando con esta teoría enviando semillas al espacio, probando si los vuelos espaciales provocan mutaciones genéticas. Desde 1987, China ha cultivado 66 variedades mutantes del espacio a través de su programa de mejoramiento espacial, muchas de las cuales ya se han presentado al público. En 2011, durante la Exposición Nacional de Flores de Loto en China, se exhibió un loto mutante llamado "Sol del Espacio Exterior". [ 19 ]

Las aberraciones cromosómicas aumentaron considerablemente cuando las semillas se enviaron al espacio en comparación con sus contrapartes terrestres. El efecto del vuelo espacial en las semillas depende de su especie y variedad. Por ejemplo, el trigo cultivado en el espacio mostró un gran aumento en la germinación de las semillas en comparación con su control terrestre, pero el arroz cultivado en el espacio no presentó ninguna ventaja visible en comparación con su control. Para las variedades que fueron mutadas positivamente por el vuelo espacial, su potencial de crecimiento superó no solo al de sus contrapartes cultivadas en la Tierra, sino también al de sus contrapartes irradiadas en la Tierra. En comparación con las técnicas mutagénicas tradicionales, las mutaciones cultivadas en el espacio tienen mayor eficacia, ya que experimentan efectos positivos en su primera generación de mutación, mientras que los cultivos irradiados a menudo no presentan mutaciones ventajosas en sus primeras generaciones. Aunque múltiples experimentos han demostrado los efectos positivos del vuelo espacial en la mutación de semillas, no existe una conexión clara sobre qué aspecto del espacio ha producido tales mutaciones ventajosas. Existe mucha especulación sobre la radiación cósmica como origen de las aberraciones cromosómicas, pero hasta el momento no hay evidencia concreta de dicha conexión. [ 20 ]

Aunque el programa chino de reproducción en el espacio ha demostrado ser muy exitoso, requiere un gran presupuesto y apoyo tecnológico que muchos otros países no están dispuestos o no pueden proporcionar, lo que significa que este programa es inviable fuera de China. Debido a estas limitaciones, los científicos han estado intentando replicar las condiciones espaciales en la Tierra para promover las mismas mutaciones espaciales. Una de estas replicaciones es un espacio libre de campo magnético (ELM), que produce un área con un campo magnético más débil que el de la Tierra. El tratamiento con ELM produjo resultados mutagénicos y se ha utilizado para cultivar nuevas variedades mutantes de arroz y alfalfa. Otras replicaciones de las condiciones espaciales incluyen la irradiación de semillas con un haz pesado de iones de litio o partículas mixtas de alta energía. [ 20 ]

Tecnología de haces de iones

Los haces de iones mutan el ADN eliminando múltiples bases del genoma. En comparación con las fuentes de radiación tradicionales, como los rayos gamma y los rayos X, se ha demostrado que los haces de iones causan rupturas más severas en el ADN, más difíciles de reparar, lo que provoca un cambio más drástico que el causado por la irradiación tradicional. Los haces de iones modifican el ADN de tal manera que su apariencia difiere enormemente de su composición original, mucho más que cuando se utilizan técnicas de irradiación tradicionales. La mayor parte de la experimentación con tecnología de haces de iones se ha llevado a cabo en Japón. Entre las instalaciones destacadas que utilizan esta tecnología se encuentran TIARA de la Agencia Japonesa de Energía Atómica , el Centro de Investigación de Aceleradores RIKEN y otras instituciones japonesas. Durante el proceso de irradiación con haces de iones, las semillas se colocan entre dos películas de kapton y se irradian durante aproximadamente dos minutos. Las frecuencias de mutación son notablemente más altas con la radiación de haces de iones que con la radiación de electrones, y el espectro de mutación es más amplio con la radiación de haces de iones que con la radiación de rayos gamma. El amplio espectro de mutaciones se reveló a través de la gran variedad de fenotipos florales producidos por haces de iones. Las flores mutadas por los haces de iones exhibieron una variedad de colores, patrones y formas. Mediante la radiación de haces de iones, se han cultivado nuevas variedades de plantas. Estas plantas presentaban características como resistencia a la luz ultravioleta B, resistencia a enfermedades y deficiencia de clorofila . La tecnología de haces de iones se ha utilizado en el descubrimiento de nuevos genes responsables de la creación de plantas más robustas, pero su uso más frecuente es comercialmente para producir nuevos fenotipos florales, como los crisantemos rayados . [ 21 ]

Polen maduro tratado con radiación gamma

La radiación gamma se utiliza en el polen maduro del arroz para producir plantas progenitoras utilizadas en el cruzamiento. Los rasgos mutados en las plantas progenitoras pueden ser heredados por sus descendientes. Debido a la corta vida útil del polen de arroz, los investigadores tuvieron que irradiar con rayos gamma espigas cultivadas de plantas de arroz. Mediante experimentación, se reveló que existía una mayor variedad de mutaciones en el polen irradiado que en las semillas secas irradiadas. El polen tratado con 46 Gy de radiación gamma mostró un aumento en el tamaño general del grano y otras variaciones útiles. Por lo general, la longitud de cada grano era mayor después del cruzamiento de plantas progenitoras de arroz irradiadas. La descendencia de arroz también exhibió una apariencia menos calcárea, mejorando el aspecto de las plantas progenitoras. Esta técnica se utilizó para desarrollar dos nuevos cultivares de arroz , Jiaohezaozhan y Jiafuzhan, en China. Además de facilitar la creación de estos dos cultivares, la irradiación del polen maduro de arroz ha producido aproximadamente doscientas líneas de arroz mutantes. Cada una de estas líneas produce granos de arroz de mayor calidad y tamaño. Las mutaciones producidas por esta técnica varían con cada generación, lo que significa que el cultivo posterior de estas plantas mutadas podría generar nuevas mutaciones. Tradicionalmente , la radiación gamma se utiliza únicamente en plantas adultas, no en el polen. La irradiación del polen maduro permite que las plantas mutantes crezcan sin estar en contacto directo con la radiación gamma. Este descubrimiento contrasta con lo que se creía anteriormente sobre la radiación gamma: que solo podía provocar mutaciones en las plantas y no en el polen. [ 22 ]

productos químicos

Las altas tasas de aberraciones cromosómicas resultantes de la radiación ionizante y los efectos perjudiciales que la acompañan hicieron que los investigadores buscaran fuentes alternativas para inducir mutaciones. Como resultado, se ha descubierto una variedad de mutágenos químicos. Los mutágenos químicos más utilizados son los agentes alquilantes . El metanosulfonato de etilo (EMS) es el más popular debido a su eficacia y facilidad de manejo, especialmente su desintoxicación mediante hidrólisis para su eliminación. Los compuestos nitrosos son otros agentes alquilantes ampliamente utilizados, pero son fotosensibles y se deben tomar más precauciones debido a su mayor volatilidad. El EMS se ha convertido en un mutágeno de uso común para desarrollar grandes cantidades de mutantes para cribado, como en el desarrollo de poblaciones TILLING . [ 23 ] Aunque muchos químicos son mutágenos, solo unos pocos se han utilizado en el mejoramiento práctico ya que las dosis deben optimizarse y también porque la eficacia no es alta en las plantas para muchos.

endonucleasas de restricción

El interés en el uso de endonucleasas de restricción bacterianas (RE) – por ejemplo Fok1 [ 2 ] y CRISPR/ Cas9 [ 1 ] [ 2 ] – para estudiar roturas de doble cadena en el ADN vegetal comenzó a mediados de los noventa. Se descubrió que estas roturas en el ADN, también conocidas como DSB, eran la fuente de gran parte del daño cromosómico en eucariotas, causando mutaciones en variedades de plantas. Las RE inducen un resultado en el ADN vegetal similar al de la radiación ionizante o los químicos radiomiméticos. Se descubrió que las roturas de extremo romo en el ADN, a diferencia de las roturas de extremo cohesivo, producían más variaciones en el daño cromosómico, lo que las convierte en el tipo de rotura más útil para el mejoramiento genético por mutación. Si bien la conexión de las RE con las aberraciones cromosómicas se limita principalmente a la investigación en el ADN de mamíferos, el éxito en los estudios de mamíferos llevó a los científicos a realizar más estudios del daño cromosómico y del ADN inducido por RE en genomas de cebada . Debido a la capacidad de las endonucleasas de restricción para facilitar el daño en los cromosomas y el ADN, las RE tienen la capacidad de ser utilizadas como un nuevo método de mutagénesis para promover la proliferación de variedades de plantas mutadas. [ 24 ] [ 1 ] [ 2 ]

Comparación con otras técnicas

En el debate sobre los alimentos genéticamente modificados , el uso de procesos transgénicos se compara y contrasta frecuentemente con los procesos mutagénicos. [ 25 ] Si bien la abundancia y variación de organismos transgénicos en los sistemas alimentarios humanos, y su efecto en la biodiversidad agrícola, la salud de los ecosistemas y la salud humana están bastante bien documentados, las plantas mutagénicas y su papel en los sistemas alimentarios humanos son menos conocidos. Un periodista escribió: «Aunque poco conocida, la mejora genética por radiación ha producido miles de mutantes útiles y una fracción considerable de los cultivos del mundo... incluyendo variedades de arroz, trigo, cebada, peras, guisantes, algodón, menta, girasoles, cacahuetes, pomelo, sésamo, plátanos, yuca y sorgo». [ 10 ]

En Canadá, los cultivos generados por mejoramiento genético por mutación se enfrentan a las mismas regulaciones y pruebas que los cultivos obtenidos por ingeniería genética. [ a ] ​​[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Las variedades mutagénicas tienden a estar disponibles libremente para el mejoramiento de plantas, a diferencia de muchas variedades de plantas comerciales o germoplasma que cada vez tienen más restricciones en su uso [ 6 ] : 187 tales como términos de uso , patentes y tecnologías de restricción de usuarios genéticos propuestas y otros regímenes de propiedad intelectual y modos de aplicación.

La Unión Europea considera que los cultivos producidos por mutagénesis están técnicamente sujetos a la directiva sobre organismos genéticamente modificados (OGM), pero los métodos tradicionales (químicos y de radiación) [ 29 ] están exentos de regulación. [ 30 ]

Alimentos orgánicos

A diferencia de los cultivos modificados genéticamente , que generalmente implican la inserción de uno o dos genes objetivo, las plantas desarrolladas mediante procesos mutagénicos con cambios genéticos aleatorios, múltiples e inespecíficos [ 31 ] han sido objeto de debate [ 32 ] , pero no están prohibidas por las normas orgánicas de ningún país . Informes de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. afirman que no existe justificación científica para regular los cultivos modificados genéticamente sin hacerlo con los cultivos obtenidos por mutagénesis. [ 7 ]

Varias empresas de alimentos y semillas orgánicas promueven y venden productos orgánicos certificados que se desarrollaron mediante mutagénesis química y nuclear. [ 33 ] Varias marcas orgánicas certificadas, cuyas empresas apoyan el etiquetado estricto o la prohibición total de los cultivos transgénicos, comercializan el uso de trigo de marca y otras cepas varietales derivadas de procesos mutagénicos sin hacer referencia a esta manipulación genética. [ 33 ] Estos productos orgánicos abarcan desde ingredientes de cebada y trigo mutagénicos utilizados en cervezas orgánicas [ 34 ] hasta variedades mutagénicas de pomelos vendidas directamente a los consumidores como orgánicas. [ 35 ]

Las directrices del Codex Alimentarius para la producción de alimentos orgánicos aceptan la mejora genética por mutagénesis. La IFOAM - Organics International no acepta el uso de mutagénesis inducida. [ 36 ]

Liberación por parte de la nación

A partir de 2011, el porcentaje de todas las variedades mutagénicas liberadas a nivel mundial, por país, fueron: [ 6 ] : 187 [ 37 ]

Entre las variedades más destacadas por país se incluyen:

 Argentina
  • Maní Colorado Irradiado (mutante creado con rayos X; alto contenido de grasa y rendimiento, el 80% del maní cultivado en Argentina en la década de 1980 era Colorado Irradiado) [ 38 ]
  • Mutante de arroz Puita INTA-CL (resistencia a herbicidas y buen rendimiento; también cultivado en Bolivia, Brasil, Costa Rica y Paraguay) [ 38 ]
 Australia
  • Variedad mutante de arroz Amaroo (entre el 60 y el 70 % del arroz cultivado en Australia era Amaroo en 2001) [ 38 ]
 Bangladesh
  • Mutantes de arroz Binasail, Iratom-24 y Binadhan-6 [ 38 ]
  • Variedad mutante de frijol mungo Binamoog-5 [ 38 ]
 Cuba
  • Mutante de tomate Maybel (excelente resistencia a la sequía) [ 38 ]
  • Mutante de arroz GINES (creado mediante radiación de protones; crece bien en condiciones salinas) [ 38 ]
 Porcelana
  • Mutantes de soja de la serie Henong [ 38 ]
  • Arroz Jiahezazhan y Jiafuzhan (mutaciones obtenidas por irradiación de polen; alto rendimiento y calidad, muy adaptable, resistente a la cigarra y la piriculariosis) [ 38 ]
  • Algodón Lumian Número 1 [ 39 ]
  • Batata Purple Orchard 3 [ 40 ]
  • Tiefeng 18 soja [ 38 ]
  • Arroz Yangdao número 6 [ 39 ]
  • Trigo Yangmai 156 [ 39 ]
  • Mutante de arroz Zhefu 802 (irradiado con rayos gamma; resistente a la piriculariosis del arroz, buen rendimiento incluso en condiciones desfavorables, la variedad de arroz más plantada entre 1986 y 1994) [ 41 ]
  • 26 Mutante de arroz indica Zhaizao (creado con rayos gamma) [ 41 ]

 República Checa

  • Cebada diamant (mutante de alto rendimiento y baja altura creado con rayos X) [ 42 ]
 Egipto
  • Mutantes de arroz de alto rendimiento Giza 176 y Sakha 101 [ 38 ]
 Finlandia
  • Mutante de cebada Balder J (mejor resistencia a la sequía, rendimiento y germinación) [ 38 ]
  • Mutantes de avena paja rígida Puhti y Ryhti [ 38 ]
 Francia
  • Girasoles con alto contenido de ácido oleico (que cubren más del 50% de la superficie cultivada de girasoles)
 Alemania
  • Cebada Trumpf [ 38 ]
 Ghana
  • Yuca mutante Tek bankye (buena capacidad de molienda y mayor contenido de materia seca) [ 38 ]
 India
  • Mutantes de frijol mungo Co-4, Pant Mung-2 y TAP [ 38 ]
  • Algodón MA-9: el primer algodón mutante del mundo, lanzado en 1948 (radiación de rayos X; tolerancia a la sequía , alto rendimiento) [ 38 ].
  • Arroz PNR-381 [ 6 ] : 189
  • Mutantes de garbanzo Pusa 408 (Ajay), Pusa 413 (Atul), Pusa 417 (Girnar) y Pusa 547 (resistentes a la tizón por Ascochyta y a las enfermedades de marchitamiento, y que tienen altos rendimientos) [ 38 ]
  • Trigo Sharbati Sonora [ 6 ] : 189
  • Tau-1, [ 39 ] MUM 2, BM 4, LGG 407, LGG 450, Co4, Dhauli (TT9E) y Pant moong-1 blackgram (resistencia a YMC, (virus del mosaico amarillo) ) [ 6 ] : 189
  • Mutantes de maní TG24 y TG37 [ 39 ]
 Italia
 Japón
  • Osa Gold Pear (resistencia a enfermedades) [ 45 ]
  • La mayoría de las variedades de arroz cultivadas en Japón tienen el alelo mutante sd1 de la variedad de arroz Reimei [ 39 ].
 Myanmar
  • Mutante de arroz Shwewartun (creado mediante la irradiación de arroz IR5 para obtener un mejor rendimiento, calidad de grano y maduración más temprana) [ 38 ]
 Pakistán
 Perú
  • Mutante de cebada UNA La Molina 95 (desarrollada en 1995 para crecer por encima de los 3000 m) [ 47 ]
  • Centenario Amarinth "kiwicha" mutante (grano de alta calidad y exportado como producto orgánico certificado) [ 47 ]
  • Mutante de cebada Centenario II (desarrollado para su cultivo en las tierras altas andinas con alto rendimiento, harina de alta calidad y tolerancia al granizo) [ 47 ]
 Sudán
  • Mutante de banano Albeely (mejor calidad, alto rendimiento y mejor porte) [ 38 ]
 Tailandia
  • Mutantes de arroz índica aromático RD15 y RD6 (creados con rayos gamma y liberados en 1977-78; RD15 es de maduración temprana, RD6 tiene un valioso endospermo glutinoso). Tailandia es el mayor exportador de arroz aromático del mundo [ 38 ].
 Reino Unido
 Estados Unidos
  • Arroz Calrose 76 (arroz de baja altura inducido con rayos gamma ) [ 6 ] : 189
  • Cebada Luther y Pennrad (variedades mutantes de alto rendimiento; Pennrad también resistente al invierno) [ 38 ]
  • Menta Murray Mitcham ( tolerancia a la marchitez por Verticillium ) [ 6 ] : 189
  • Frijol Sanilac (radiación de rayos X; mutante de alto rendimiento; también las variedades de frijol Gratiot y Sea-way se cruzaron a partir de Sanilac) [ 38 ]
  • Trigo Stadler (mutante de alto rendimiento con resistencia al carbón suelto y a la roya de la hoja y maduración más temprana) [ 38 ]
  • Variedades Star Ruby y Rio Red del pomelo Rio Star (creadas mediante técnicas de neutrones térmicos) [ 6 ] : 189
  • Menta Todd's Mitcham ( tolerancia a la marchitez por Verticillium ) [ 6 ] : 189
 Vietnam
  • Mutantes de arroz VND 95-20, VND-99-1 y VN121 (mayor rendimiento, mejor calidad, resistencia a enfermedades y plagas) [ 50 ] [ 51 ]
  • Mutantes de soja DT84, DT96, DT99 y DT 2008 (desarrollados mediante rayos gamma para cultivar tres cosechas al año, tolerancia al calor y al frío y resistencia a las enfermedades) [ 51 ]

En 2014, se informó que 17 variedades mutantes de arroz, 10 de soja, dos de maíz y una de crisantemo habían sido oficialmente liberadas para los agricultores vietnamitas. El 15% del arroz y el 50% de la soja se produjeron a partir de variedades mutantes. [ 52 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ El sistema regulatorio canadiense se basa en si un producto posee características novedosas, independientemente de su método de origen. En otras palabras, un producto se regula como modificado genéticamente si posee algún rasgo que no se encontraba previamente en la especie, ya sea que se haya generado mediante mejoramiento por mutación o ingeniería genética (o cualquier otro método, incluido el mejoramiento selectivo ).

Referencias

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