Selección asistida por marcadores

La selección asistida por marcadores ( MAS , por sus siglas en inglés) es un proceso de selección indirecta en el que se selecciona un rasgo de interés basándose en un marcador ( variación morfológica , bioquímica o de ADN / ARN ) vinculado a dicho rasgo (por ejemplo, productividad, resistencia a enfermedades, tolerancia al estrés abiótico y calidad), en lugar de en el rasgo en sí. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Este proceso ha sido ampliamente investigado y propuesto para el mejoramiento de plantas y animales . ^{[ 5 ]}

Por ejemplo, el uso de la selección asistida por marcadores (MAS) para seleccionar individuos con resistencia a enfermedades implica la identificación de un alelo marcador vinculado a la resistencia a enfermedades, en lugar del nivel de resistencia en sí. Se asume que el marcador se asocia con alta frecuencia al gen o locus de rasgo cuantitativo (QTL) de interés, debido al ligamiento genético (proximidad, en el cromosoma, entre el locus del marcador y el locus que determina la resistencia a enfermedades). La MAS puede ser útil para seleccionar rasgos difíciles o costosos de medir, que presentan baja heredabilidad o que se expresan tardíamente en el desarrollo. En ciertos puntos del proceso de mejoramiento, se examinan los ejemplares para asegurar que expresan el rasgo deseado.

La mayoría de los trabajos de selección asistida por marcadores (MAS) en la actualidad utilizan marcadores basados ​​en ADN. ^{[ 5 ]} Sin embargo, los primeros marcadores que permitieron la selección indirecta de un rasgo de interés fueron marcadores morfológicos. En 1923, Karl Sax informó por primera vez la asociación de un marcador genético de herencia simple con un rasgo cuantitativo en plantas cuando observó la segregación del tamaño de la semilla asociada con la segregación de un marcador de color de la cubierta de la semilla en frijoles ( Phaseolus vulgaris L.). ^{[ 6 ]} En 1935, J. Rasmusson demostró el ligamiento del tiempo de floración (un rasgo cuantitativo) en guisantes con un gen de herencia simple para el color de la flor. ^{[ 7 ]}

Los marcadores pueden ser:

• Morfológicos : Estos fueron los primeros marcadores disponibles que tienen un impacto evidente en la morfología de las plantas. Estos marcadores suelen ser detectables a simple vista, mediante una simple inspección visual. Ejemplos de este tipo de marcadores incluyen la presencia o ausencia de aristas , la coloración de la vaina foliar, la altura, el color del grano, el aroma del arroz , etc. En cultivos bien caracterizados como el maíz , el tomate , el guisante, la cebada o el trigo , se han mapeado decenas o cientos de genes que determinan rasgos morfológicos en ubicaciones cromosómicas específicas.
• Bioquímico : una proteína que se puede extraer y observar; por ejemplo, isoenzimas y proteínas de almacenamiento .
• Citológicos — Los marcadores citológicos son características cromosómicas que se pueden identificar mediante microscopía. Generalmente, se presentan como bandas cromosómicas, regiones de cromatina que se impregnan con colorantes específicos utilizados en citología . La presencia o ausencia de una banda cromosómica se puede correlacionar con un rasgo particular, lo que indica que el locus responsable de dicho rasgo se encuentra dentro o cerca (estrechamente ligado) a la región marcada con la banda. Los marcadores morfológicos y citológicos constituyeron la base de los primeros estudios genéticos en cultivos como el trigo y el maíz. ^{[ 8 ]}
• Basado en ADN — Incluidomicrosatélites (también conocidos como repeticiones cortas en tándem, STR, o repeticiones de secuencias simples, SSR),polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción(RFLP),amplificación aleatoria de ADN polimórfico(RAPD),polimorfismo de longitud de fragmentos amplificados(AFLP) y polimorfismos de un solo nucleótido (SNP). ^{[ 9 ]}

Los siguientes términos suelen ser menos relevantes para los debates sobre la selección asistida por marcadores (MAS) en el mejoramiento genético de plantas y animales, pero son muy relevantes en la investigación en biología molecular:

• Los marcadores de selección positivos son marcadores seleccionables que confieren una ventaja selectiva al organismo huésped. ^{[ 10 ]} Un ejemplo sería la resistencia a los antibióticos, que permite al organismo huésped sobrevivir a la selección por antibióticos.
• Los marcadores de selección negativos son marcadores seleccionables que eliminan o inhiben el crecimiento del organismo huésped tras la selección. ^{[ 11 ]} Un ejemplo sería la timidina quinasa , que hace que el huésped sea sensible a la selección con ganciclovir .

Se puede distinguir entre marcadores seleccionables (que eliminan ciertos genotipos de la población) y marcadores de cribado (que permiten identificar fácilmente ciertos genotipos, momento en el que el experimentador debe evaluar la población y tomar medidas para conservar los genotipos preferidos). La mayoría de los sistemas de selección asistida por marcadores (MAS) utilizan marcadores de cribado en lugar de marcadores seleccionables.

El gen de interés causa directamente la producción de proteínas o ARN que generan un rasgo o fenotipo deseado, mientras que los marcadores (una secuencia de ADN o los marcadores morfológicos o bioquímicos producidos a partir de ese ADN) están genéticamente ligados al gen de interés. El gen de interés y el marcador tienden a moverse juntos durante la segregación de los gametos debido a su proximidad en el mismo cromosoma y la consiguiente reducción de la recombinación (entrecruzamientos cromosómicos) entre el marcador y el gen de interés. Para algunos rasgos, el gen de interés ha sido descubierto y la presencia de alelos deseables puede analizarse directamente con un alto grado de confianza. Sin embargo, si el gen de interés es desconocido, aún se pueden usar marcadores ligados a él para seleccionar individuos con alelos deseables del gen de interés. Cuando se usan marcadores, pueden producirse algunos resultados inexactos debido a pruebas imprecisas para el marcador. También pueden producirse falsos positivos cuando se usan marcadores, debido a la recombinación entre el marcador de interés y el gen (o QTL). Un marcador perfecto no produciría falsos positivos. El término «marcador perfecto» se utiliza a veces cuando se realizan pruebas para detectar un SNP u otro polimorfismo de ADN en el gen de interés, si dicho SNP u otro polimorfismo es la causa directa del rasgo de interés. El término «marcador» sigue siendo apropiado cuando se analiza directamente el gen de interés, ya que la prueba de genotipo es una prueba indirecta del rasgo o fenotipo de interés.

Un marcador ideal:

• Tiene fácil reconocimiento de fenotipos, idealmente todos los fenotipos posibles ( homocigotos y heterocigotos ) de todos los alelos posibles.
• Demuestra diferencias medibles en la expresión entre tipos de rasgos o alelos de genes de interés, en las primeras etapas del desarrollo del organismo.
• Las pruebas para detectar el marcador no presentan un éxito variable dependiendo del alelo en el locus del marcador o del alelo en el locus objetivo (el gen de interés que determina el rasgo de interés).
• Interacción baja o nula entre los marcadores, lo que permite el uso de muchos al mismo tiempo en una población segregante.
• Abundantes en número
• Polimórfico

Los marcadores morfológicos están asociados con varios déficits generales que reducen su utilidad, entre ellos:

• el retraso en la expresión del marcador hasta etapas avanzadas del desarrollo del organismo
• permitir que la dominancia enmascare la genética subyacente
• pleiotropía , que no permite extraer inferencias fáciles y parsimoniosas de un gen a un rasgo.
• efectos de confusión de genes no relacionados con el gen o rasgo de interés pero que también afectan al marcador morfológico ( epistasis )
• frecuentes efectos de confusión de factores ambientales que afectan las características morfológicas del organismo

Para evitar problemas específicos de los marcadores morfológicos, se han desarrollado marcadores basados ​​en ADN. Estos son altamente polimórficos , presentan herencia simple (a menudo codominante), son abundantes en todo el genoma, son fáciles y rápidos de detectar, muestran mínimos efectos pleiotrópicos y su detección no depende de la etapa de desarrollo del organismo. Se han mapeado numerosos marcadores en diferentes cromosomas de diversos cultivos, como arroz, trigo, maíz, soja y otros, así como en ganado vacuno, porcino y avícola. Dichos marcadores se han utilizado en análisis de diversidad, detección de parentesco, huellas genéticas y predicción del rendimiento de híbridos. Los marcadores moleculares son útiles en procesos de selección indirecta, permitiendo la selección manual de individuos para su posterior propagación.

Los «genes principales» responsables de características de importancia económica son frecuentes en el reino vegetal. Estas características incluyen resistencia a enfermedades, esterilidad masculina, ^{[ 12 ]} autoincompatibilidad y otras relacionadas con la forma, el color y la arquitectura de las plantas, y suelen ser mono- u oligogénicas. Los loci marcadores estrechamente ligados a genes principales pueden utilizarse para la selección y, en ocasiones, resultan más eficientes que la selección directa del gen objetivo. Estas ventajas en la eficiencia pueden deberse, por ejemplo, a una mayor expresión del ARNm del marcador cuando este es un gen. Alternativamente, en los casos en que el gen objetivo de interés difiere entre dos alelos por un polimorfismo de un solo nucleótido difícil de detectar , un marcador externo (ya sea otro gen o un polimorfismo más fácil de detectar, como una repetición corta en tándem ) puede ser la opción más realista.

Existen varios indicios que justifican el uso de marcadores moleculares en la selección de un rasgo genético.

Situaciones como por ejemplo:

• El carácter seleccionado se expresa tardíamente en el desarrollo de la planta, como las características del fruto y la flor o los caracteres adultos con un período juvenil (de modo que no es necesario esperar a que el organismo esté completamente desarrollado antes de poder hacer los arreglos para su propagación).
• La expresión del gen diana es recesiva (de modo que los individuos heterocigotos positivos para el alelo recesivo pueden cruzarse para producir descendencia homocigota con el rasgo deseado).
• Existen condiciones especiales para la expresión del gen o genes diana, como en el caso del mejoramiento genético para la resistencia a enfermedades y plagas (donde, de otro modo, se requeriría la inoculación con la enfermedad o la exposición a plagas). En ocasiones, los métodos de inoculación no son fiables y, a veces, la inoculación en campo con el patógeno ni siquiera está permitida por razones de seguridad. Además, en ocasiones, la expresión depende de las condiciones ambientales.
• El fenotipo está afectado por dos o más genes no ligados (epistatis). Por ejemplo, la selección de múltiples genes que proporcionan resistencia contra enfermedades o plagas de insectos para la piramidación de genes .

El coste de la genotipificación (por ejemplo, los ensayos de marcadores moleculares necesarios) está disminuyendo, lo que aumenta el atractivo de la selección asistida por marcadores (MAS) a medida que la tecnología se desarrolla. (Además, el coste de la fenotipificación realizada por un ser humano supone una carga laboral , que es mayor en los países desarrollados y va en aumento en los países en desarrollo).

Generalmente, el primer paso consiste en mapear el gen o locus de rasgo cuantitativo (QTL) de interés mediante diferentes técnicas, y luego utilizar esta información para la selección asistida por marcadores. Por lo general, los marcadores que se utilizan deben estar cerca del gen de interés (<5 unidades de recombinación o cM) para asegurar que solo una pequeña fracción de los individuos seleccionados sean recombinantes. Generalmente, se utilizan dos marcadores, no uno solo, para reducir la probabilidad de error debido a la recombinación homóloga. Por ejemplo, si se utilizan dos marcadores flanqueantes simultáneamente con un intervalo de aproximadamente 20 cM entre ellos, existe una mayor probabilidad (99%) de recuperar el gen objetivo.

En plantas, el mapeo de QTL generalmente se realiza utilizando poblaciones de cruce biparental; se desarrolla un cruce entre dos progenitores que tienen un fenotipo contrastante para el rasgo de interés. Las poblaciones comúnmente utilizadas son líneas casi isogénicas (NIL), líneas endogámicas recombinantes (RIL), haploides duplicados (DH), retrocruzamiento y F2 _. El ligamiento entre el fenotipo y los marcadores que ya han sido mapeados se prueba en estas poblaciones para determinar la posición del QTL. Estas técnicas se basan en el ligamiento y, por lo tanto, se denominan " mapeo de ligamiento ".

A diferencia del mapeo de QTL en dos pasos y la selección asistida por marcadores (MAS), se ha desarrollado un método de un solo paso para el mejoramiento de poblaciones de plantas típicas. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En este enfoque, durante los primeros ciclos de mejoramiento genético, se identifican marcadores ligados al rasgo de interés mediante mapeo de QTL, y posteriormente se utiliza la misma información en la misma población. La estructura genealógica se crea a partir de familias formadas mediante el cruce de varios progenitores (en cruces triples o cuádruples). Tanto el fenotipado como el genotipado se realizan utilizando marcadores moleculares que indican la posible ubicación del QTL de interés. Esto permite identificar los marcadores y sus alelos favorables. Una vez identificados estos alelos favorables, se incrementa su frecuencia y se estima la respuesta a la selección asistida por marcadores. Los alelos con el efecto deseado se utilizarán en el siguiente ciclo de selección o en otros experimentos.

Recientemente se han desarrollado técnicas de genotipado de alto rendimiento que permiten el análisis de numerosos genotipos mediante marcadores. Esto ayudará a los mejoradores a pasar de la selección tradicional a la selección asistida por marcadores. Un ejemplo de esta automatización es el uso de robots de aislamiento de ADN, electroforesis capilar y robots de pipeteo.

Un ejemplo reciente de sistema capilar es el analizador genético Applied Biosystems 3130. Se trata de la última generación de instrumentos de electroforesis de 4 capilares para laboratorios con un volumen de muestras bajo a medio.

Se necesita la selección asistida por marcadores (MAS) de alto rendimiento para el mejoramiento de cultivos porque las técnicas actuales no son rentables. Se han desarrollado matrices para arroz por Masouleh et al. 2009; trigo por Berard et al. 2009, Bernardo et al. 2015 y Rasheed et al. 2016; leguminosas por Varshney et al. 2016; y varios otros cultivos, pero todas ellas también presentan problemas de personalización, costo, flexibilidad y costos de equipo. ^{[ 15 ]}

Se requieren al menos cinco o seis generaciones de retrocruzamiento para transferir un gen de interés de un donante (que puede no estar adaptado) a un receptor (cultivar recurrente adaptado). La recuperación del genotipo recurrente puede acelerarse mediante el uso de marcadores moleculares. Si la generación F1 es heterocigota para el locus del marcador , los individuos con el/los alelo(s) parental(es) recurrente (s) en dicho locus, en la primera o posteriores generaciones de retrocruzamiento, también portarán un cromosoma marcado por el marcador.

La piramidación genética se ha propuesto y aplicado para mejorar la resistencia a enfermedades e insectos mediante la selección de dos o más genes simultáneamente. Por ejemplo, en el arroz se han desarrollado piramidaciones genéticas similares contra el tizón bacteriano y la piriculariosis. La ventaja del uso de marcadores en este caso radica en que permite seleccionar marcadores ligados a alelos QTL que presentan el mismo efecto fenotípico.

También se ha demostrado que MAS es útil para el mejoramiento del ganado . ^{[ 16 ]}

En el sitio web del Wheat CAP ( Proyecto Agrícola Coordinado ) existe un esfuerzo coordinado para implementar la selección asistida por marcadores en el trigo ( trigo duro ( Triticum turgidum ) y trigo común ( Triticum aestivum )) en los EE. UU., así como un recurso para la selección asistida por marcadores .

• Mapeo de asociaciones
• Mapeo de QTL basado en la familia
• Genómica de la domesticación
• Historia del mejoramiento vegetal
• Reproducción molecular
• Mapeo de asociaciones anidadas
• Mapeo de QTL
• Métodos de selección en el mejoramiento de plantas basados ​​en el modo de reproducción
• Cría inteligente

• Revisar la aplicación de MAS en la mejora de cultivos.
• Collard, Bertrand CY; Mackill, David J. (12 de febrero de 2008). "Selección asistida por marcadores: un enfoque para el mejoramiento genético de precisión de plantas en el siglo XXI" . Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 363 (1491): 557– 572. doi : 10.1098/rstb.2007.2170 . ISSN 0962-8436 . PMC 2610170. PMID 17715053 .   
• Gupta, PK; Langridge, Peter; Mir, RR (11 de diciembre de 2009). "Mejoramiento genético del trigo asistido por marcadores: estado actual y posibilidades futuras". Molecular Breeding . 26 (2): 145– 161. doi : 10.1007/s11032-009-9359-7 . ISSN 1380-3743 . S2CID 9989382 .  
• Moose, Stephen P.; Mumm, Rita H. (1 de julio de 2008). "Mejoramiento molecular de plantas como base para el mejoramiento de cultivos del siglo XXI" . Plant Physiology . 147 ( 3). Oxford University Press (OUP): 969– 977. doi : 10.1104/pp.108.118232 . ISSN 1532-2548 . PMC 2442525. PMID 18612074. American Society of Plant Biologists .   
• Mejora genética de plantas y genómica