Cuando se cruzan distintas variedades de una misma especie vegetal, los descendientes híbridos suelen ser más robustos y crecer más rápidamente que sus progenitores, pero en la siguiente generación este efecto desaparece.
Por Andreas Lorenz-Meyer, Sociedad Max Planck
Los nuevos métodos permiten conservar a largo plazo las cualidades ventajosas de este tipo de plantas híbridas y diseñar deliberadamente plantas con cuatro juegos de cromosomas en lugar de dos. Las técnicas deberían facilitar la obtención de cultivos especialmente resistentes y de alto rendimiento que podrían alimentar a una población mundial en aumento incluso en tiempos de crisis climática.
Ya en 1759, más de cien años antes de que el monje agustino austríaco Gregor Johann Mendel publicara su trabajo sobre la herencia en los guisantes, los científicos ya se preguntaban cómo las plantas transmiten sus caracteres a su descendencia.
Fue en ese mismo año cuando se organizó en San Petersburgo un concurso organizado por la Academia Rusa de Ciencias cuyo objetivo era demostrar que las plantas también poseen sexualidad.
El ganador fue Joseph Gottlieb Kölreuter, hijo de un farmacéutico de Sulz am Neckar. Kölreuter, que más tarde se convertiría en catedrático de historia natural en Karlsruhe, había cruzado dos plantas de tabaco consanguíneas y, al hacerlo, había observado que los rasgos específicos de cada progenitor se conservaban en la siguiente generación después del cruce.
Concluyó que las plantas progenitoras transmitían la misma cantidad de genes a sus descendientes. Además, las plantas de la primera generación resultantes del cruce tenían el mismo aspecto, un hallazgo que Mendel también formuló en su principio de uniformidad. Pero el botánico también se dio cuenta de algo más: los descendientes prosperaban más que sus progenitores.
Hace más de 250 años, Kölreuter descubrió el llamado efecto heterosis, también conocido como vigor híbrido, que se produce cuando los híbridos de primera generación (que surgen de un cruce deliberado de dos variedades endogámicas de la misma especie o de especies estrechamente relacionadas) son superiores a sus progenitores en términos de vitalidad y crecimiento.
Aún no se ha aclarado de manera concluyente cómo se produce este fenómeno, pero la agricultura moderna debe su éxito al cultivo de variedades híbridas de alto rendimiento de maíz, colza, arroz, centeno y muchos otros cultivos.
El efecto de heterosis no perdura
En apariencia, las variedades híbridas crecen más rápido y son más resistentes a los estreses abióticos y bióticos que sus parientes endogámicos. El maíz híbrido, por ejemplo, produce un 30% más de rendimiento. Pero hay un problema: el efecto de heterosis no dura. El aumento de rendimiento logrado por el cruce en la primera generación de descendientes se pierde en la segunda. Las plantas también pierden su uniformidad externa.
La razón de ello son los procesos que intervienen en la reproducción sexual: durante la división celular meiótica necesaria para la formación de células germinales (es decir, óvulos y polen), el material genético de las células germinales se mezcla (o se recombina), de modo que en la siguiente generación ninguna de las plantas es exactamente igual a sus progenitores. De esta manera, la meiosis aumenta la diversidad genética en plantas y animales.
Si, por el contrario, los híbridos pudieran reproducirse asexualmente, es decir, clonarse, mediante semillas, podrían transmitir su material genético completo y, por tanto, sus características ventajosas tal y como son a la siguiente generación. Esto reduciría enormemente los costes asociados a la producción de semillas híbridas y podría conducir al desarrollo de muchas más variedades híbridas de las que hay actualmente disponibles.
Raphaël Mercier, jefe del Departamento de Biología Cromosómica del Instituto Max Planck de Investigación en Mejoramiento Vegetal, y Charles Underwood, jefe del Grupo de Investigación en el Departamento de Mercier, se proponen hacerlo posible.
Los dos científicos presentan sus avances en la producción de semillas híbridas en los invernaderos del instituto, en los que, además de berros de tierra (una hierba silvestre discreta sobre la que los científicos han obtenido conocimientos fundamentales), también crecen cebada, patatas y tomates.
Para ello, deben cumplirse dos condiciones previas: en primer lugar, debe conservarse todo el material genético de la planta madre en el gameto femenino, lo que solo es posible si la división celular meiótica, en la que se mezclan los genes, no se produce como de costumbre y se produce un óvulo clonal.
A continuación, la nueva planta debe desarrollarse a partir del óvulo clonal sin fecundación por un gameto masculino, ya que sin meiosis el número de cromosomas no se reduce a la mitad. Por lo tanto, si una célula de polen fecundara este tipo de óvulo, tendría demasiados cromosomas.
«Tenemos que superar dos obstáculos: la meiosis y la fecundación. Sólo así podremos producir semillas genéticamente idénticas entre sí y con la planta madre. Con este tipo de semilla híbrida clonal, el estado híbrido puede prolongarse casi indefinidamente», explica Mercier.
Un gen para la meiosis
Mercier comenzó sus investigaciones en 2009 en el Instituto Jean-Pierre Bourgin del INRA en Versalles-Saclay (Francia). «Hasta el día de hoy, quiero descubrir qué genes intervienen en la división celular meiótica y en el desarrollo de los óvulos y de las células polínicas. En un nivel fundamental, quiero saber cómo funcionan estos procesos».
En el berro de Talé, identificó tres genes que controlan procesos importantes para la meiosis y hacen que la meiosis sea diferente de la mitosis, cuando una célula se divide en dos células hijas idénticas. Cuando Mercier desactivó estos tres genes simultáneamente, la meiosis se convirtió en mitosis y las plantas formaron células germinales clonales.
El material genético de los óvulos y el número de cromosomas eran, por tanto, idénticos a los de la planta madre. Mercier había descubierto así un proceso que evitaba la meiosis.
En 2016, Mercier y Emmanuel Guiderdoni, del Centro de Investigación Agronómica para el Desarrollo Internacional (CIRAD), aplicaron el proceso, denominado MiMe (mitosis en lugar de meiosis), al arroz y, por tanto, por primera vez a un cultivo.
Junto con el maíz y el trigo, el arroz es uno de los cereales más importantes del mundo y constituye un alimento básico para el 90% de la población mundial. Los tres genes se han conservado durante la evolución y controlan la meiosis tanto en el berro de thale como en el arroz. Se ha comprobado que, sin estos genes, también en el arroz se formaba un óvulo genéticamente idéntico a la planta madre.
En 2019, Mercier y Venkatesan Sundaresan, de la Universidad de California en Davis, abordaron el segundo obstáculo: mediante la activación del gen BBM1 en el óvulo, que de otro modo solo estaría activo en el polen y el embrión, se podría desencadenar el desarrollo del embrión sin fertilización.
BBM1 es un factor de transcripción que desencadena la embriogénesis. Se activa en la célula resultante de la fecundación del óvulo por una célula de polen. De esta forma se demostró la viabilidad de la reproducción clonal a través de semillas para una planta cultivada. Pero el proceso aún no está listo para ser aplicado en la práctica.
«En comparación con el arroz de reproducción sexual, estas plantas producen un 30% menos de semillas. Esto es un problema, por supuesto, porque significa un 30% menos de rendimiento en cultivos en los que las semillas son lo que cosechamos. Pero confío en que esto se pueda solucionar en un futuro próximo».
Otro cultivo con el que los investigadores han probado la técnica MiMe es el tomate, la hortaliza número uno del mundo. Entre otros tomates, los científicos han utilizado en su investigación tomates dátiles y tomates en rama, variedades híbridas que también se encuentran disponibles en el supermercado.
Además de establecer un sistema MiMe, Charles Underwood y su equipo lo han aplicado de otra manera. Primero, establecieron MiMe en diferentes plantas de tomate híbridas para generar células sexuales clonales. La fertilización de un óvulo clonal de una planta por un espermatozoide clonal de otra dio lugar a plantas que contenían la información genética completa de ambos progenitores.
Este enfoque, denominado «diseño de genoma poliploide», permitió a Underwood y a su equipo diseñar plantas con un conjunto cuádruple de cromosomas en lugar de uno doble. La poliploidía observada en estas plantas de tomate es similar a la observada en muchos otros cultivos, como el trigo, la colza, el plátano y la patata. La diferencia aquí es que la poliploidía fue inducida por el proceso MiMe. «El resultado es una especie de superhíbrido», dice Underwood.
Variedades de papa resistentes a enfermedades
El científico se encuentra frente a un invernadero iluminado con LED y lleno de plantas de tomates y señala la planta de la derecha, que tiene frutos particularmente grandes. «Esta planta tiene un juego cuádruple de cromosomas, por lo que lleva el material genético completo de ambas plantas progenitoras. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que las células sexuales clonales de dos progenitores diferentes se han fusionado, en cualquier planta o animal, para garantizar la herencia completa de ambos progenitores».
Junto al «superhíbrido» hay una planta que da frutos considerablemente más pequeños, pero es muy robusta. «Se trata del resultado del cruce de un híbrido de tomate MiMe con un pariente silvestre del tomate, Solanum pennellii. Esta accesión silvestre procede de una zona árida de Sudamérica y es especialmente resistente al calor, la sequía y los suelos salinos. Los genes de esta tolerancia al estrés también se encuentran ahora en esta planta híbrida», afirma Underwood.
Esto también explica por qué los frutos son más pequeños: los frutos grandes en realidad no se dan en la naturaleza, sino que son el resultado de decenas de miles de años de selección artificial por parte de los seres humanos. Los tomates híbridos son parte de un esfuerzo de Underwood y sus colegas para aprovechar MiMe en el desarrollo de nuevos sistemas de cultivo que puedan aprovechar al máximo la tolerancia al estrés de los parientes silvestres de los cultivos.
Otro candidato para el método MiMe es la patata. Las patatas y los tomates pueden parecer muy diferentes, pero las plantas en sí están estrechamente relacionadas. Ambas pertenecen a la familia de las solanáceas y, de hecho, al mismo género.
«Muchas de las variedades actuales son ya muy antiguas; por ejemplo, la variedad ‘Russet Burbank’ se cultiva en Estados Unidos desde hace más de un siglo. Existe una necesidad inminente de acelerar el desarrollo de variedades de patata resistentes a las enfermedades que puedan tolerar los climas estivales cada vez más variables, porque las patatas siguen siendo uno de nuestros cultivos más importantes», afirma Underwood.
Un problema que se presenta en el cultivo de la patata son las enfermedades. El patógeno que causa la plaga de la patata, por ejemplo, daña tanto las partes aéreas de la planta como los tubérculos subterráneos. Si el patógeno ataca a las plantas de patata durante la fase de crecimiento, esto produce grandes pérdidas en la producción.
En Irlanda, a mediados del siglo XIX, la enfermedad fúngica provocó una hambruna devastadora. Al igual que en el caso del tomate silvestre, el material genético de las especies de patata silvestres podría hacer que sus parientes domésticos fueran más resistentes. «MiMe podría permitirnos crear variedades que sean más resistentes a la plaga de la patata, pero que, por lo demás, tengan las características habituales de las patatas. Esto podría ayudar a reducir la necesidad de rociar las plantas con pesticidas», afirma Underwood.
Para Raphaël Mercier, las patatas híbridas MiMe también tienen un gran potencial, en parte porque no se cosechan las semillas ni los frutos, sino los tubérculos que se encuentran bajo tierra. «El hecho de que las patatas híbridas MiMe produzcan menos semillas no es tan relevante como en el caso del arroz, ya que esto no tiene un impacto negativo en el rendimiento».
La estricta ley de ingeniería genética obstaculiza la tecnología MiMe
Sin embargo, la aplicación de esta técnica se ve obstaculizada por las estrictas normas de la UE sobre cultivos modificados genéticamente, que restringen técnicas como MiMe, que se basan en la edición genómica, es decir, la alteración o desactivación selectiva de genes.
«La UE debería seguir el ejemplo de Estados Unidos y Gran Bretaña y facilitar el cultivo de plantas modificadas genéticamente. En definitiva, necesitamos hacer que la producción de alimentos en el futuro sea más eficiente para poder alimentar a una población mundial en aumento en tiempos de fenómenos climáticos extremos más frecuentes. En este sentido, los híbridos que se hacen más productivos y más robustos mediante tijeras genéticas pueden ser de gran ayuda», afirma Mercier.
Por eso, otros investigadores también piden que se actualice la legislación sobre tecnología genética en la UE, teniendo en cuenta las nuevas técnicas y los nuevos descubrimientos, ya que la legislación vigente tiene más de 20 años. A principios de año, el Parlamento Europeo aprobó una propuesta legislativa de la Comisión Europea que facilitaría la autorización de plantas modificadas genéticamente. Ahora los Estados miembros de la UE deben ponerse de acuerdo sobre una versión final del texto de la legislación.
Por tanto, serán los políticos quienes decidan si este tipo de plantas crecerán algún día en los campos de Europa. Sin embargo, en última instancia, dependerá de si los consumidores quieren ver productos modificados genéticamente en sus platos. Tal vez esa decisión se vea influida por el hecho de que la técnica MiMe no es tan antinatural como podría parecer a primera vista.
El diente de león, al igual que otras plantas como diversas moras y hierbas, se reproduce en la naturaleza sin necesidad de meiosis femenina o fecundación del óvulo. Claramente, las alfombras amarillas de dientes de león que aparecen en nuestros prados cada primavera son una prueba de lo bien que funciona ese modo de reproducción.
