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CRISPR, microbios y más se unen a la guerra contra los asesinos de cultivos


Los científicos agrícolas miran más allá de la química sintética para combatir la resistencia a los pesticidas.


Brooke Borel


Lo primero que hace Broc Zoller todas las mañanas es verificar el pronóstico del tiempo. Durante los últimos cinco años, los agricultores de California como él han luchado a través de la sequía histórica. Ahora se enfrentan al problema opuesto. En los primeros meses de 2017, ya ha llovido más que el año pasado en Kelseyville, donde Zoller cultiva uvas y nueces, y alquila tierras a los productores de peras. Las condiciones fangosas han frenado los esfuerzos de poda y retrasado la aplicación de aerosoles utilizados para controlar especies clave de insectos durante el invierno. Si las lluvias continúan a medida que llega la primavera, la combinación de calor y humedad podría provocar infecciones fúngicas y bacterianas. Para proteger sus cultivos, Zoller sospecha que tendrá que usar varios pesticidas convencionales.

Pero la selección se está volviendo más delgada, gracias a la resistencia. El tizón de fuego, una enfermedad bacteriana que puede causar aftas en los troncos de los perales, generalmente responde a los antibióticos, pero los medicamentos pueden dejar de funcionar si se usan en exceso. Y la costra de pera, un hongo que deja lesiones marrones antiestéticas en la fruta, requiere múltiples fungicidas durante la temporada de crecimiento. Zoller, quien también trabaja como asesor de control de plagas agrícolas, usa algunos de estos químicos solo una vez antes de que empiecen a perder efectividad. «La resistencia llega tan rápido», dice. «Esperas que no haya demasiadas lluvias para que lo que tienes en tu arsenal pueda ayudarte».

La resistencia a los pesticidas convencionales, entre insectos, malezas o patógenos microbianos, es común en las granjas de todo el mundo. CropLife International, una asociación de la industria con sede en Bruselas, apoya los esfuerzos que han contado 586 especies de artrópodos, 235 hongos y 252 malezas con resistencia a al menos un pesticida sintético (ver ‘El aumento de la resistencia’ ). Y esos son solo los casos que los científicos han identificado y registrado formalmente.

Durante varias décadas, la industria agroquímica simplemente ha lanzado nuevos productos químicos para reemplazar los antiguos. Pero para muchos cultivos, la tubería se está secando. La tasa de descubrimiento de pesticidas «se ha reducido casi a cero en los últimos diez años más o menos», dice Sara Olson, analista de investigación de Lux Research en Boston, Massachusetts, que se especializa en tecnologías emergentes. Los nuevos productos químicos son difíciles y caros de encontrar y desarrollar. Y una vez que uno esté en uso, las plagas pronto desarrollarán resistencia a él, a menos que su aplicación se maneje cuidadosamente.

Entonces, los científicos están buscando alternativas que puedan reducir o reemplazar los pesticidas sintéticos. Están particularmente interesados ​​en soluciones biológicas, incluidos microbios, ingeniería genética y biomoléculas. Incluso las principales compañías químicas ven suficiente promesa para invertir en el trabajo. Eso no significa el final de los pesticidas sintéticos, pero podría ayudar a frenar la propagación de la resistencia. Algunos enfoques también podrían ayudar a los agricultores a reducir costos, proteger a los trabajadores y complacer a un público que desconfía cada vez más de los productos químicos sintéticos .

«La resistencia emergente a las plagas es un gran impulsor para encontrar alternativas», dice Olson. «Pero en su mayor parte, no es una elección entre productos químicos y biológicos u otras opciones, es el reconocimiento de que puede hacer más de una manera más matizada con algunas de estas herramientas».

Fuentes: Top, CropLife International: Comité de acción de resistencia a insecticidas y encuesta internacional de malezas resistentes a herbicidas. Abajo, Phillips McDougall. El costo del descubrimiento, desarrollo y registro de nuevos productos agroquímicos en 1995, 2000, 2005–8 y 2010 a 2014 .

Ayudantes microbianos

A principios del siglo XX, una misteriosa epidemia estaba acabando con los preciados gusanos de seda en todo Japón. En 1901, el bacteriólogo Ishiwata Shigetane descubrió la causa: una bacteria del suelo desconocida que encontró dentro de un gusano de seda muerto. Una década después, en la provincia alemana de Turingia, el biólogo Ernst Berliner encontró la bacteria en las orugas de la polilla de la harina, una plaga común, y describió formalmente al insecticida, al que llamó Bacillus thuringiensis ( Bt ).

Las proteínas producidas por Bt perforan los intestinos de varias especies de insectos, y se han utilizado como pesticida natural durante décadas. Los científicos llevan mucho tiempo buscando más microbios que maten las plagas. «No era un campo joven cuando era estudiante de posgrado, hace casi 45 años», dice Roger Beachy, biólogo de plantas y patólogo de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri.

Pero los microbios ahora están llegando a la corriente principal de agroquímicos . En 2012, Bayer CropScience pagó US $ 425 millones por AgraQuest, una compañía de bioplaguicidas con sede en Davis, California. En los últimos años, otras compañías multinacionales, incluidas DuPont, Monsanto y Syngenta, también han invertido.

Beachy, quien fue pionero en el desarrollo de cultivos alimentarios genéticamente modificados (GM), se ha sumergido en microbios junto con Indigo Agriculture, una empresa emergente con sede cerca de Boston. Los científicos de Indigo seleccionan microbios para mejorar los endobiomas de los cultivos, los microorganismos que viven dentro de los tejidos de las plantas, y los incorporan en un recubrimiento que se puede aplicar a las semillas. Cuando la plántula brota, su tallo obtiene pequeños raspones a medida que empuja a través de la semilla dura. Estos raspones deberían permitir a los microbios colonizar la planta y ayudar a protegerla contra el estrés ambiental, como la sequía. El año pasado, la compañía recaudó unos $ 100 millones en fondos.

Indigo tiene los labios apretados sobre las cepas específicas que usa. Pero ya, los agricultores han plantado las semillas recubiertas de la compañía en 20,000 hectáreas de algodón y 8,000 hectáreas de trigo en los Estados Unidos. Eso no es mucho en comparación con los 4 millones de hectáreas de algodón y 21 millones de hectáreas de trigo que los agricultores estadounidenses plantaron en 2016, pero sugiere que las personas están dispuestas a probarlo. Beachy, quien inicialmente se desempeñó como director científico de la compañía y aún preside su junta asesora científica, dice que Indigo está buscando activamente agregar resistencia a las plagas a las ventajas que confiere su recubrimiento. «Espero que dentro de cinco años haya un puñado de productos disponibles», dice.

Otras compañías ya están utilizando microbios como pesticidas. Marrone Bio Innovations en Davis cultiva microbios y los utiliza junto con los químicos que producen para matar las plagas. La compañía ha analizado 18,000 genomas de microbios y, hasta ahora, ha traído 5 productos al mercado. Uno de sus microbios, una cepa de la bacteria Burkholderia , produce múltiples tipos de químicos, dependiendo de cómo se cultiva. Se utiliza para producir un insecticida y un nematicida (utilizado para controlar ciertos gusanos), y también puede producir un herbicida.

Burkholderia «tiene la maquinaria genética para hacer múltiples clases de compuestos», dice Pamela Marrone, directora ejecutiva y fundadora de la compañía, posiblemente debido a cómo evolucionó para defenderse.

Históricamente, los agricultores desconfían de los bioplaguicidas, en parte porque los materiales son más difíciles de usar que los sintéticos. Algunos pueden degradarse rápidamente a la luz del sol o el calor, por ejemplo. Y generalmente no son tan efectivos como los sintéticos, simplemente no tienen el mismo golpe letal. Pero un reemplazo directo no es necesariamente el punto. En cambio, los bioplaguicidas pueden reducir el uso de químicos sintéticos, dice Marrone. Los microbios «no tienen que funcionar tan bien como los productos químicos, aunque algunos de los nuestros se acumulan», agrega. «Pero cuando se integran, obtienen un mejor rendimiento y calidad que los productos químicos solos».

Resistencia CRISPR

La poderosa herramienta de edición de genes CRISPR-Cas9 ha otorgado a los científicos nuevas habilidades. Aunque las tecnologías anteriores, como las que crean organismos modificados genéticamente mediante la adición de nuevos genes, pueden matar directamente las plagas de insectos o hacer que los cultivos sean impermeables a los herbicidas potentes, la ingeniería de cultivos para resistir enfermedades ha sido más complicada.

Una razón es cómo los genes de resistencia a las enfermedades están regulados en las células vegetales. «En la naturaleza, los genes de resistencia generalmente se mantienen con una correa muy ajustada», dice Adam Bogdanove, un patólogo de plantas en la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. Si se vuelven demasiado activos, pueden dañar la planta. Pero en los organismos modificados genéticamente convencionales, los científicos no pueden controlar dónde termina un gen agregado en el genoma objetivo, y los genes resistentes a las enfermedades pueden no expresarse correctamente si aterrizan en el lugar equivocado. CRISPR es particularmente útil , dice Bogdanove, porque «le permite controlar la posición de inserción y, por lo tanto, controlar la expresión».

«Creo que esta es la ola del futuro si vamos a sobrevivir como industria».

Bogdanove está utilizando la técnica para hacer arroz que es inherentemente resistente a la veta bacteriana y al tizón, dos de sus enfermedades más devastadoras. Su colaborador Jan Leach, un patólogo de plantas en la Universidad Estatal de Colorado en Fort Collins, también está experimentando con CRISPR y herramientas de edición de genes más antiguas para atacar los sistemas inmunes de las plantas, criando arroz resistente a una amplia gama de enfermedades, en lugar de solo una.

Los científicos están CRISPRing otros cultivos, en particular las plantas que no fueron objeto de gran alcance en la revolución GM anterior , porque eran demasiado difíciles de diseñar. Investigadores de la Universidad de Rutgers en New Brunswick, Nueva Jersey, están utilizando la técnica para hacer uvas para vino que frustran el mildiu. Un equipo en los Estados Unidos ha fabricado tomates resistentes a varias bacterias Pseudomonas y Xanthomonas 1 . Y los científicos en Beijing han hecho trigo resistente al moho 2 .

La alteración del trigo es un desafío porque la planta contiene tres genomas casi idénticos. El equipo de Beijing esencialmente tuvo que apuntar a tres versiones de un gen de resistencia. Con CRISPR, «puedes eliminar varios genes simultáneamente», dice la miembro del equipo Caixia Gao, bióloga de plantas del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo de la Academia China de Ciencias .

Los científicos de la industria también están enamorados. En septiembre pasado, por ejemplo, Monsanto firmó una licencia no exclusiva con el Broad Institute en Cambridge, Massachusetts, que en febrero ganó una disputa de patentes sobre la tecnología CRISPR . Tom Adams, vicepresidente de biotecnología de Monsanto, dice que la compañía está explorando cómo CRISPR podría usarse para mejorar la resistencia a las enfermedades, la tolerancia a la sequía y el rendimiento en algunos cultivos.

Pero el enfoque también podría usarse de manera que aumente el uso de pesticidas. Adams dice que la edición de genes podría crear cultivos que puedan resistir los herbicidas, al igual que los cultivos transgénicos existentes de Monsanto que toleran el glifosato químico. Pero estos productos son controvertidos; Permitir que los agricultores usen el glifosato de forma liberal ha llevado a una excesiva dependencia de este .

Ejecución de interferencia

Mucho antes de que CRISPR prometiera cambiar el mundo, los biocientíficos estaban entusiasmados con otra forma genética para controlar las plagas: la interferencia de ARN (ARNi), un mecanismo en el que un organismo absorbe moléculas de ARN de doble cadena y apaga un gen en particular.

De alguna manera, la tecnología podría facilitar la detección de plagas específicas. Es posible comenzar con una secuencia genética precisa y luego construir moléculas pequeñas para interferir con la actividad genética, dice Sonny Ramaswamy, director del Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura, el brazo de financiamiento de investigación del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, que está apoyando Varios estudios de ARNi.

El truco es deslizar la molécula dentro de su objetivo en el lugar y tiempo correctos. Por ejemplo, el ARN debe estar presente en toda la planta o en toda la planta para defenderse de los insectos chupadores. Eso puede garantizarse mediante la ingeniería genética, pero el proceso es costoso y enfrenta los mismos obstáculos regulatorios y públicos que la creación de cualquier organismo GM. Y si las plagas se volvieran resistentes al ARNi, los investigadores tendrían que diseñar una planta completamente nueva para reemplazarla.

Tanto los académicos como los científicos de la industria piensan que una mejor opción puede ser aplicar los ARN directamente a las hojas o raíces de los cultivos. Eso es más «conveniente y flexible que los cultivos transgénicos», dice Xuexia Miao, investigadora de interacción planta-insecto en el Instituto de Fisiología y Ecología Vegetal de los Institutos de Ciencias Biológicas de Shanghai en China.

En 2015, ella y su equipo mostraron 3 que el ARNi entregado a través de las raíces del arroz y el maíz ayuda a proteger contra los insectos. Pero un sistema de riego puede ser difícil en la práctica: el suelo está lleno de microbios y enzimas que pueden cortar el ARN antes de que llegue a la planta. Miao también está trabajando en aerosoles que podrían enviar ARNi directamente a plantas e insectos.

Empresas como Monsanto y Syngenta también están interesadas en RNAi. Monsanto dice que sus primeros productos, uno para proteger contra el ácaro Varroa destructor , una plaga de abejas melíferas y otro contra los escarabajos de pulgas que atacan la colza (canola), estarán en el mercado a mediados de la década de 2020. Syngenta tendrá su primer producto, para el escarabajo de la patata de Colorado ( Leptinotarsa ​​decemlineata ), «a principios de la década de 2020», dice Steven Wall, que supervisa la estrategia reguladora y de seguridad del producto para los productos RNAi en Syngenta en Research Triangle Park, Carolina del Norte.

La tecnología RNAi también enfrenta otros desafíos . Parece ser efectivo contra algunos tipos de insectos, como los escarabajos, pero es más difícil de usar contra las polillas y sus larvas, aunque las razones no están claras. Las plagas que responden al ARNi también podrían desarrollar resistencia. «La naturaleza siempre parece encontrar un camino», dice Wall. Un spray de ARNi «debe administrarse como cualquier otro producto, no debe usarse exclusivamente».

Y algunos científicos argumentan que, aunque el ARNi puede atacar a las plagas más directamente que un pesticida de amplio espectro, todavía existe la posibilidad de daños colaterales. El ARNi podría matar insectos beneficiosos que comparten genes con una plaga. En una revisión de 2013 4 de los riesgos de la tecnología, los científicos del Departamento de Agricultura de EE. UU. Escribieron que aunque RNAi es prometedor para la protección de los cultivos, sus beneficios deben sopesarse frente a «los riesgos ambientales relativos que plantea la tecnología».

De vuelta a la tierra

Mientras tanto, a medida que la tubería de pesticidas continúa disminuyendo y la resistencia crece, los agricultores necesitan nuevas opciones. La situación varía de un cultivo a otro y de una granja a otra, pero algunos campos se reducen a un solo pesticida en funcionamiento. «Estás literalmente desarrollando resistencia a la que te queda», dice Zoller. “Y entonces lo estás poniendo un par de veces más de lo que solías, solo porque no dura tanto. Y no tienes nada más que usar.

Zoller ya está probando biopesticidas, aunque los productos pueden ser inconsistentes. «Los tenemos en nuestras pruebas de investigación cada año, porque tenemos esperanzas», dice. «Algunos se ven bastante bien un año, pero no al año siguiente, aunque son buenos para integrarse» con pesticidas convencionales.

En cuanto a los enfoques genéticos, Zoller cree que los compradores desconfiarán, gracias al temor generalizado a los alimentos modificados genéticamente. Otros productores son más optimistas. «CRISPR: creo que esta es la ola del futuro si vamos a sobrevivir como industria», dice Tony DiMare, vicepresidente de DiMare Company, un productor de tomate de los Estados Unidos. La tecnología será particularmente importante, dice, para el estrés ambiental, las plagas y las enfermedades.

La tecnología por sí sola no salvará la granja. Los productores seguirán dependiendo de las prácticas anticuadas y la gestión de la tierra. La rotación de cultivos, por ejemplo, ayuda a romper los ciclos de vida de las plagas y los patógenos: si los agricultores no rotan, plantando el mismo cultivo durante todo el año, proporcionan abundante alimento para que prosperen ciertas plagas. Espaciar los cultivos entre sí puede ayudar a proteger las malezas de la luz solar. Y para otros cultivos, la poda deja pasar el aire y la luz, lo que puede ayudar a secar la humedad que permite que los mohos prosperen.

En los huertos de peras de California, como los que arrienda Zoller, los agricultores dejan crecer plantas nativas, como avena silvestre, centeno y gloria de la mañana, entre las hileras de árboles. Esto proporciona hábitat para los depredadores naturales que frenan las plagas de insectos. Zoller dice que es necesario utilizar todos los enfoques (nuevas tecnologías y métodos más antiguos) para proteger los alimentos y las ganancias.

Para cualquier cultivo, el manejo de plagas es algo continuo, dice. Las nuevas tecnologías también serán algo que los agricultores vean. «Ayuda tener muchas herramientas».Naturaleza 543 , 302–304 (16 de marzo de 2017) doi : 10.1038 / 543302a


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