Cómo CRISPR podría producir la próxima cosecha de gran éxito
Los genetistas de plantas en China están estudiando genes del arroz silvestre Oryza alta para facilitar su cultivo. Crédito: Hong Yu y Jiayang Li
Los científicos están intentando domesticar rápidamente especies de plantas silvestres mediante la edición de genes específicos, pero enfrentan importantes desafíos técnicos y preocupaciones sobre la explotación del conocimiento indígena.
En el espacio de unos pocos años, Jiayang Li está tratando de lograr algo que alguna vez tomó siglos. Quiere convertir una especie de arroz silvestre en un cultivo domesticado pirateando su genoma. Y ya es parte del camino hacia allí.
Li, genetista de plantas del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo de Beijing, está trabajando en una especie de arroz silvestre de América del Sur llamada Oryza alta . Produce granos comestibles y nutritivos, pero no se pueden cosechar porque las semillas caen al suelo tan pronto como maduran. Para domesticar la planta, Li y sus colegas necesitan eliminar este rasgo, conocido como rotura de semillas, y alterar algunos otros.
Li y sus colaboradores secuenciaron el genoma de O. alta y lo compararon con el del arroz doméstico, buscando genes similares a los que controlan rasgos importantes en el cultivo convencional, como el diámetro del tallo, el tamaño del grano y la rotura de las semillas. Luego se dirigieron a estos genes con herramientas de edición de genes personalizadas , tratando de recapitular algunos de los cambios genéticos que hacen que el arroz domesticado sea fácil de cultivar 1. Todos los rasgos mejoraron hasta cierto punto, dice Li, aunque las plantas todavía dejan caer sus granos demasiado pronto. "Estamos trabajando en eso", dice.
La modificación de este arroz es uno de un número creciente de esfuerzos para domesticar rápidamente nuevos cultivos mediante la edición del genoma. A través de este proceso, conocido como domesticación de novo , las transformaciones que tardaron milenios a los primeros agricultores del mundo podrían lograrse en sólo unos pocos años. El trabajo podría mejorar la resiliencia del suministro mundial de alimentos: muchos parientes silvestres de los cultivos básicos tienen rasgos útiles que podrían resultar valiosos cuando el cambio climático ejerza presión sobre la agricultura global. O. alta , por ejemplo, tiene “una resistencia muy marcada a la sal y a la sequía y a algunas enfermedades muy graves o muy peligrosas”, afirma Li.
Pero los desafíos técnicos de la domesticación de novo son inmensos. La mayoría de las plantas silvestres están poco estudiadas y, sin una comprensión de su biología fundamental, es imposible domesticarlas reescribiendo sus genomas. La edición genética dirigida, utilizando herramientas como CRISPR-Cas9, es un enfoque poderoso, pero no puede replicar completamente las miles de mutaciones que han perfeccionado los cultivos domésticos modernos para su crecimiento y cosecha.
"Parece una idea muy simple, pero cuanto más se empieza a desentrañar, más compleja se vuelve conceptualmente", dice el fisiólogo vegetal Agustin Zsögön de la Universidad Federal de Viçosa en Minas Gerais, Brasil. Como resultado, aunque los productores comerciales están interesados en el concepto, ninguna empresa lo promueve públicamente.
También existe la preocupación de que se pueda hacer un mal uso de la domesticación de novo . Muchas plantas silvestres son bien conocidas sólo por los pueblos indígenas, quienes las han cuidado durante muchas generaciones. A lo largo de la historia, las potencias coloniales han robado o explotado el conocimiento de los pueblos indígenas, como ocurrió con la planta del té rooibos ( Aspalathus linearis ) en Sudáfrica. "Soy muy consciente de no repetir los errores del pasado", dice la botánica Madelaine Bartlett de la Universidad de Massachusetts Amherst.
Hay propuestas sobre cómo los investigadores podrían trabajar éticamente con los pueblos indígenas y sus conocimientos, pero hasta ahora no han sido ampliamente adoptadas ni codificadas en leyes. “En términos de cultivos alimentarios, probablemente hayamos ignorado en gran medida a las comunidades indígenas”, dice el botánico Nokwanda Makunga de la Universidad Stellenbosch en Sudáfrica. "Las personas que están haciendo una domesticación de novo deben ser más conscientes".
Domesticar tomates
Los seres humanos llevan domesticando plantas desde hace unos 10.000 años. Pero la domesticación es un concepto confuso , afirma Zsögön. Se pueden cultivar muchas plantas para producir alimentos, pero no alcanzan la previsibilidad y el rendimiento de cultivos comúnmente cultivados, como el maíz o las patatas, y no son tan fáciles de cosechar. Una regla práctica útil es que las especies domesticadas han desarrollado una relación permanente con los humanos. Si se los deja a su suerte, podrían marchitarse, no lograr propagarse o simplemente perder los rasgos que los humanos valoran en unas pocas generaciones.
Aunque no existe ningún registro escrito de las primeras especies de plantas domesticadas, está claro que se generaron (intencionalmente o no) mediante la selección de rasgos deseables, como frutos grandes o falta de toxinas. A lo largo de muchas generaciones, las mutaciones que controlan estos rasgos se acumularon, dando como resultado cultivos que eran muy diferentes de la línea ancestral. Por ejemplo, los granos grandes y blandos del maíz moderno no se parecen en nada a las semillas pequeñas y duras de su ancestro silvestre, el teosinte.
Tomates sudamericanos silvestres (izquierda) y domesticados, Solanum pimpinellifolium . Crédito: Agustín Zsögön
La cría selectiva sigue siendo un pilar de la agricultura. Pero los criadores ahora se centran en rasgos específicos y a menudo utilizan radiación o productos químicos que causan mutaciones para acelerar el proceso de creación de variantes genéticas.
A pesar de estos avances, muchos de los métodos para introducir rasgos en los cultivos o producir cultivos completamente nuevos dependen hasta cierto punto del azar. Los criadores no tienen forma de controlar qué mutaciones surgen. En lugar de ello, deben crear grandes cantidades de mutantes y examinarlos cuidadosamente, con la esperanza de encontrar las pocas mutaciones útiles entre miles de mutaciones dañinas.
La edición de genes promete cambiar eso, al permitir a los investigadores editar los genomas de los organismos de forma específica. Los genetistas han estado haciendo esto durante décadas utilizando métodos establecidos para agregar genes completos a organismos para crear cultivos "transgénicos" como plantas de maíz o soja resistentes a insectos o tolerantes a herbicidas. Pero las nuevas herramientas de edición de genes proporcionan mucho más control, lo que permite a los investigadores editar con precisión el genoma existente en los sitios elegidos. La técnica más destacada utiliza CRISPR-Cas9, que originalmente formaba parte del "sistema inmunológico" de las bacterias y puede reprogramarse para editar genomas 2 .
Las primeras demostraciones de domesticación de novo mediante la edición del genoma ocurrieron en 2018. En una, Zsögön y sus colegas domesticaron tomates silvestres sudamericanos llamados Solanum pimpinellifolium . Son los parientes silvestres más cercanos de los tomates domesticados ( Solanum lycopersicum ). Los frutos de S. pimpinellifolium son pequeños, incluso en comparación con las variantes del tomate cherry, pero comestibles. "Son agridulces con un toque picante", dice Zsögön. Su equipo editó seis regiones clave del genoma de la planta para producir una versión que se parecía a un tomate doméstico. Las nuevas plantas produjeron diez veces más frutos que las plantas silvestres, y los frutos eran tres veces más grandes 3 .
En otro estudio 4 , un equipo dirigido por Zachary Lippman en el Laboratorio Cold Spring Harbor en Nueva York y Joyce Van Eck en la Universidad Cornell en Ithaca, Nueva York, acercó un cerezo silvestre ( Physalis pruinosa ) unos pasos más hacia la domesticación. Groundcherry pertenece a la misma familia de plantas que los tomates, las patatas y los pimientos. Se cultiva en partes de América Central y del Sur por sus dulces y doradas bayas. Pero cosecharla es difícil debido al crecimiento extenso de la planta y porque los frutos son pequeños y caen al suelo rápidamente una vez que maduran. El equipo modificó un gen llamado Ppr-SP5G para hacer que las plantas sean más compactas, y modificó otro, Ppr-CLV1 , para hacer que los frutos sean un 24% más pesados.
Fueron avances espectaculares, pero las nuevas plantas aún no se cultivan a gran escala, y mucho menos se venden a los consumidores. Aunque ese es el objetivo final, estos primeros estudios fueron “una prueba de concepto”, afirma Zsögön. "Simplemente demostramos que se podía hacer".
Dice que la domesticación de novo debería ser particularmente útil para crear cultivos que puedan resistir factores estresantes no biológicos como la sequía, porque los rasgos relevantes a menudo involucran múltiples genes; reproducir cada uno de ellos en especies domésticas consumiría muchísimo tiempo. Con la domesticación de novo , los investigadores podrían, en teoría, tomar la planta silvestre y domesticarla rápidamente modificando un puñado de genes.
Algunas especies silvestres también utilizan nutrientes como el nitrógeno de manera más eficiente que las variedades domesticadas, dice Li. La domesticación de plantas silvestres debería permitir a los agricultores utilizar menos fertilizantes, reduciendo los costos y las escorrentías nocivas hacia los ríos.
Estos beneficios potenciales han estimulado a múltiples grupos a intentar proyectos de domesticación.
En 2018, la genetista molecular Sophia Gerasimova comenzó a intentar domesticar patatas silvestres mientras estaba en la sucursal siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia en Novosibirsk. Sus esfuerzos se vieron interrumpidos por la invasión rusa de Ucrania en 2022: protestó contra la guerra y se trasladó al Centro de Investigación de Genómica para el Cambio Climático en Campinas, Brasil.
Gerasimova y sus colegas examinaron genomas de patatas silvestres en busca de una buena especie candidata. Para ser apta para la domesticación, una planta tenía que ser compatible con CRISPR y tener rasgos potencialmente útiles. Si la planta tenía rasgos "malos", éstos debían ser controlados por un pequeño número de genes. La papa silvestre que finalmente eligieron, Solanum chacoense , tenía muchas propiedades atractivas: producía tubérculos redondos que parecían papas domésticas, era resistente a virus y plagas, y era fácil trabajar con las plantas porque eran limpias y compactas. También era resistente al "endulzamiento en frío", la tendencia de algunas patatas a enriquecerse en glucosa y fructosa cuando se almacenan en frío, lo que provoca un sabor desagradable cuando se cocinan. Sin embargo, los tubérculos eran “pequeños y amargos”, dice Gerasimova. Necesitaban arreglar eso.
Gerasimova y sus colegas identificaron cinco genes objetivo para la edición CRISPR, que creen que están involucrados en rasgos cruciales como el momento de formación de los tubérculos y la acumulación de glicoalcaloides esteroides tóxicos 5 . Sin embargo, los investigadores han tenido dificultades para realizar las modificaciones necesarias en las plantas. Gerasimova dice que han logrado editar el genoma en células vegetales, pero aún no han logrado que estas mutaciones se propaguen a una planta entera. Ella es optimista de que superarán este obstáculo.
Los investigadores están editando el genoma de un cerezo silvestre para ayudar en la cosecha. Crédito: Getty
Hay una serie de razones por las que los cultivos domesticados de novo todavía no se cultivan comercialmente. Una es que, como ilustra la experiencia de Gerasimova, aplicar CRISPR a una nueva especie es un desafío en sí mismo.
Igualmente importante es la complejidad de la domesticación. Si bien es cierto que unos pocos genes pueden causar cambios marcados, los cultivos domesticados difieren de sus parientes silvestres en muchas regiones de sus genomas, y cada diferencia puede tener un efecto pequeño pero importante. "Hay miles de genes que contribuyen a que el maíz sea diferente del teosinte", dice Bartlett. No es práctico utilizar CRISPR para reproducir todos estos cambios.
Por tanto, las técnicas de reproducción convencionales seguirán desempeñando un papel importante. El biólogo del desarrollo David Marks de la Universidad de Minnesota en St. Paul es parte de un equipo que trabaja para domesticar el berro ( Thlaspi arvense ) como parte de la iniciativa Forever Green de su institución. Pennycress tiene un solo tallo vertical, con pequeñas hojas parecidas a una col y flores blancas. Sus semillas contienen un aceite útil, “extremadamente similar al aceite de canola”, dice Marks.
Todo el proyecto de domesticación se ha basado en la mutagénesis y la reproducción selectiva: métodos convencionales que, según Marks, todavía se están mejorando y ahora son mucho más rápidos que en décadas anteriores 6 . Cuando CRISPR despegó, el proyecto ya se encontraba en una etapa avanzada.
"No me malinterpretes", dice Marks. “La técnica CRISPR es elegante, bella y sencilla. Ojalá estuviera disponible en mis primeros días”. Sin embargo, esto sólo es práctico en determinadas circunstancias. "En el caso del pennycress, comenzamos con una planta que ya tiene características deseables", dice. Los cambios de un solo gen que se pueden lograr con CRISPR no fueron necesarios. Pero muchas otras plantas silvestres potencialmente útiles, como O. alta , necesitan este tipo de cambios específicos en una pequeña cantidad de genes.
Brecha fundamental
Hay otro obstáculo más para la domesticación de novo mediante la edición de genes, y es el conocimiento limitado de los botánicos sobre la biología de las plantas silvestres. Gran parte de lo que se sabe sobre las plantas proviene de un puñado de especies modelo, como el berro thale ( Arabidopsis thaliana ). A la mayoría de las plantas silvestres ni siquiera se les ha secuenciado el genoma, y mucho menos han sido objeto del estudio intensivo requerido para aprender qué hacen las secuencias de ADN, lo cual es necesario antes de que se pueda intentar la domesticación de novo . "Hay que tener información básica y los componentes básicos para poder realizar esta manipulación", dice Makunga.
"Las tecnologías han superado con creces nuestro conocimiento de la biología fundamental", afirma Bartlett.
Otra complicación es encontrar formas de dar cuenta de los derechos de los grupos indígenas. Bartlett y Makunga sostienen que estas comunidades deben incluirse en cualquier programa de domesticación de novo desde el principio 7 . "Necesitamos ser mucho más éticos en nuestra práctica", dice Makunga.
Cuando los pueblos indígenas tienen derechos sobre una planta silvestre, “deben participar en esos proyectos y beneficiarse de cualquier tipo de innovación que surja de ellos”, dice Maui Hudson de la Universidad de Waikato en Hamilton, Nueva Zelanda (ver también ref. 8 ).
Sudáfrica ha tomado medidas en esta dirección. Makunga y sus colegas se reunieron con representantes del pueblo San para discutir los beneficios de un nuevo proyecto, algo que debían hacer en virtud de la Gestión Ambiental Nacional de Sudáfrica: Ley de Biodiversidad 10 de 2004. El Protocolo de Nagoya de 2010, parte de la Convención sobre Diversidad Biológica, también exige que los beneficios del uso de recursos genéticos se compartan con los grupos indígenas. Asimismo, Brasil ha creado un repositorio para todas las investigaciones que involucran especies nativas y un mecanismo para compensar a las comunidades indígenas si su conocimiento genera ganancias. Zsögön no espera que sus proyectos activen este mecanismo, porque las plantas con las que trabaja crecen mucho. De manera similar, el arroz en el que trabaja Li está “muy extendido en América del Sur” y “no está vinculado a ningún grupo indígena en particular y no ha sido cultivado por nadie en ningún lugar que sepamos”.
Sin embargo, acuerdos como los de Brasil siguen siendo raros. Por ejemplo, la industria comercial del té rooibos de Sudáfrica existe desde hace más de un siglo. La planta está poco domesticada, por lo que la industria sólo es posible gracias a los conocimientos tradicionales conservados por los pueblos khoi y san. Sin embargo, la industria tardó hasta 2019 en firmar un acuerdo que le exige pagar a las comunidades khoi y san.
A pesar de los desafíos, tanto técnicos como políticos, los investigadores están entusiasmados con el potencial de la domesticación de novo . "Me entusiasma un futuro en el que tendremos un desarrollo de plantas personalizable y modificable", dice Bartlett. "Creo que en realidad es una perspectiva que podríamos ver durante mi vida".
Referencias
- Yu, H. et al. Cell 184, 1156–1170 (2021). Artículo
- Jinek, M. et al. Science 337, 816–821 (2012). Artículo
- Zsögön, A. et al. Nature Biotechnol. 36, 1211–1216 (2018). Artículo
- Lemmon, Z. H. et al. Nature Plants 4, 766–770 (2018). Artículo
- Egorova, A. A. et al. Agronomy 12, 462 (2022). Artículo
- Knudsen, S. et al. Sci. Adv. 8, eabq2266 (2022). Artículo
- Bartlett, M. E. et al. Annu. Rev. Plant Biol. 74, 727–750 (2023). Artículo
- Carroll, S. R. et al. Data Sci. J. 19, 43 (2020). Artículo
Publicado: 09/01/2023
Fuente:
Michael Marshall / Nature
Tags de búsqueda: Domesticación, Edición del Genoma, CRISPR-Cas9, Biología Vegetal, Agricultura, Conocimiento Indígena, Mejoramiento de Cultivos, Edición Genética, Domesticación de Plantas, Cultivos Transgénicos, Ciencia, Tecnología, Laboratorio, Investigación.
(57)+604 4480388