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TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA VEGETAL. LA MEJORA

CLÁSICA FRENTE A LA INGENIERÍA GENÉTICA EN PLANTAS

1. Introducción. Mejora clásica frente a la ingeniería genética en plantas

El más importante evento en la Historia de la Humanidad ocurre hace 10000 años,

cuando los humanos domestican sus cultivos y adoptan una vida sedentaria.

Durante millones de años, la producción de nuevas variedades fue consecuencia de la

aparición de lo que hoy se llama en mejora genética, selección masal o selección simple.

El agricultor producía sus plantas y guardaba las semillas de las mejores plantas. Esta

selección simple o basal era el único método que existía.

Las especies responsables de este cambio de la forma de vida en la humanidad fueron

el trigo en la antigua Mesopotamia, y otras especies como la patata en sudamérica y el

arroz en China. Se tiene constancia de que en la antigua Babilonia se seleccionaban

árboles de palma masculinos para polinizar los pies de planta femeninos

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Antiguamente el agricultor era a la misma vez productor y consumidor

En el siglo XVIII se produjeron cambios en países europeos, sobre todo en Inglaterra,

con la Revolución Industrial. Esta Revolución Industrial afectó a la agricultura porque

tiene lugar la aplicación del “método científico” a la misma. Así pues nace:

- El monocultivo. Plantan un solo cultivo, una sola especie, que luego va a ser

comercializada, vendida al resto de la población.

- Aparecen una serie de progresos: El abonado intensivo (antes no existían los

abonos), el riego intensivo, la mecanización intensiva, comercialización de los

productos que se obtienen, producción intensiva.

- Así por ejemplo, se llegó a cultivar trigo de forma continua.

- Se incrementan enormemente los rendimientos de las cosechas.

Con lo cual la mejora vegetal se desarrolla de forma muy importante durante el siglo

XVIII.

La consecuencia más importante de la Revolución Industrial es: se produce una

agricultura basada en un monocultivo monoespecífico (de una sola especie)

monovarietal (de una sola variedad). Esta variedad era la que mejor le iba a los

agricultores, que más producía, de la que se obtenían mejores frutos, que más

resistente a plagas era, etc. Esto tiene una ventaja y una desventaja:

- Ventaja: La expansión de la agricultura de altos rendimientos, es decir, se

obtenían grandes beneficios económicos.

- Desventaja: Una invasión de variedades que no estaban seleccionadas in situ,

con el consiguiente barrido de variedades autóctonas y de hábitats complejos.

En la siguiente imagen podemos ver progresos que se consiguieron entre 1800 – 1900 y

que son importantes para la biología:

- Por ejemplo, en 1753, Linneo publica el tratado de Species Plantarum que es el

primer tratado de fisiología vegetal.

- Hacia 1843 aparece el primer fertilizante artificial.

- Hacia 1859 Darwin publicó su obra “El origen de las especies”.

- Hacia 1866 aparecen las primeras leyes de Mendel, de la genética.

- En 1869 se descubre la molécula de ADN.

- Hacia 1900 fueron redescubiertos los trabajos de Mendel gracias a 3

científicos europeos.

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En la siguiente imagen podemos ver una serie de descubrimientos que han tenido lugar

a lo largo del siglo XX (1902 - 2000), de entre los cuales, lo que más destaca es la

publicación de la estructura del ADN por Watson y Crick en el año 1953 que fue

fundamental en la Genética Molecular y en Ingeniería Genética, entre otras.

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La agricultura del siglo XX incorpora una técnica muy interesante: Cruzamiento de

variedades no sólo de especies compatibles sexualmente, sino también entre especies

incompatibles. Entonces:

- Aparece la creación de casas comerciales productoras de semillas de siembra.

- Como contrapartida, surge la urgencia de recogida de los bancos de

germoplasma en vías de desaparición.

Aclarar que los bancos de germoplasma son lugares donde se conservan todas las

semillas de todas las variedades que están en vías de desaparecer. Un ejemplo de estos

bancos lo podemos encontrar en Córdoba que fundamentalmente semillas de olivo.

La barrera del sexo desaparece: ¿Por qué nos interesa cruzar especies sexualmente

incompatibles? Imaginemos que tenemos una planta silvestre que es resistente a un

patógeno que causa estragos en nuestra producción vegetal. Me interesaría aislar el

gen de resistencia de la especie silvestre y poder introducirlo en nuestra especie que

es productora. En este caso no se puede cruzar con la especie silvestre puesto que son

incompatibles, lo haríamos mediante ingeniería genética.

Hay muchos genes de interés que se encuentran en especies silvestres y que no se

pueden cruzar con la especie que nos interesa (En este caso no se puede cruzar con la

especie silvestre puesto que son incompatibles, lo haríamos mediante ingeniería

genética):

- Genes de resistencia a enfermedades y plagas.

- Genes de mejora de la calidad nutritiva: mejor sabor, color, olor...

- Genes de mejora de la calidad industrial. Ej.: Un lino que produzca hojas más

grandes, un algodón que produzca mayor cantidad de algodón…

Ahora, ya en el siglo XXI, estamos en una fase en el que ya la biotecnología y la

ingeniería genética de plantas están mucho más desarrolladas que en el siglo XX. Hay

muchísima plantas que son transgénicas (modificadas genéticamente). Pero no hay que

olvidar que este método biotecnológico no es exclusivamente el que tenemos que

utilizar, sino que hay que compatibilizarlo con la agricultura que se ha llevado a cabo

hasta la fecha. Es decir, hace falta una nueva agricultura con un nuevo método para

añadirlo a los demás, y no para sustituirlos.

Ese método existe desde el comienzo de los años setenta, y se desarrolló con

independencia de las necesidades prácticas. Es lo que se conoce globalmente como

Biotecnología.

En la siguiente tabla podemos ver las diferentes herramientas que utilizan tanto la

agricultura clásica como la biotecnología:

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2. ¿Qué es la Biotecnología Vegetal?

La primera: Es la aplicación de la Ciencia y la Ingeniería en el uso directo o indirecto de

organismos vivos, parte de los mismos o productos obtenidos de ellos, ya sea en su

forma natural o modificados.

- Un cruzamiento lo es;

- También un injerto porque vamos a modificar a un organismo;

- La propia agricultura es Biotecnología Vegetal.

Otra definición: Uso injertado de la Microbiología, Bioquímica y la Ingeniería para la

aplicación de sus tecnologías, sus distintas formas de trabajo, en beneficio de la

industria textil, farmacéutica, alimenticia…

Una tercera definición: La biotecnología define cualquier aplicación tecnológica que usa

un sistema biológico, un organismo vivo o un derivado de los mismos, con el fin de

fabricar o modificar productos o procesos de uso específico.

Al hablar de biotecnología se suele hacer una clasificación en 5 grandes áreas:

- Biotecnología en salud humana.

- Biotecnología animal.

- Biotecnología industrial.

- Biotecnología vegetal.

- Biotecnología ambiental.

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Las distintas áreas utilizan técnicas comunes a todas ellas. Éstas se pueden resumir en:

- Cultivos de tejidos. Incluye células, tejidos y órganos que se desarrollen en

condiciones controladas.

- Tecnología del ADN. Implica la manipulación e inserción de genes, lo que

significa trabajar sobre el ADN:

o Aislamiento de genes.

o Su transferencia a células apropiadas.

o Su recombinación.

o La expresión de proteínas.

Las tecnologías del ADN recombinante han abierto nuevas y asombrosas posibilidades que

han tenido una amplia repercusión en los últimos años. Estas técnicas se basan en el

descubrimiento de enzimas capaces de cortar y soldar el ADN, lo que permite aislar y

analizar fragmentos de ADN de prácticamente cualquier organismo.

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Metas alcanzadas en el campo de la Biotecnología Vegetal:

- Nutrición de las plantas: Se ha descubierto gran cantidad de Micronutrientes u

oligoelementos que son especiales para las plantas y que no se conocían hasta la

fecha. También, se han diseñado una gran cantidad de medios de cultivo

artificiales diferentes y que son imprescindibles para el crecimiento de la

planta in vitro.

- Factores que regulan el crecimiento: de tipo físico (humedad, temperatura,

fotoperiodo, etc) o de tipo químico (hormonas). Cada vez se conoce más sobre

los tipos de hormonas y su acción en las plantas.

- Técnicas de cultivo “in vitro” de células, tejidos, órganos y plantas completas.

Estas técnicas son cada vez más completas. Podemos producir una planta incluso

a partir de una sola célula.

- Biología molecular: Se han alcanzado diferentes metas:

o Procesos de identificación, aislamiento, clonación de genes.

o Y transferencia de genes de unos organismos a otros, es decir,

obtención de plantas transgénicas.

Fuentes de nuevos genes para la mejora de plantas:

A) Genes procedentes de otras plantas de la misma especie, es decir, sexualmente

compatibles.

a. Los bancos de germoplasma son fuente de suministro vital para tales

genes.

b. Mediante cruzamiento por vía sexual se transfieren grupos de genes.

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B) Genes de especies emparentadas, sexualmente compatibles con las especies

cultivadas (pero no son de la misma especie).

C) Genes de especies no emparentadas. Ej.: Genes de Arabidopsis meterlos en

maíz.

a. Por fusión de células simples y regeneración de la planta entera.

b. Son transferidos grupos de genes vía no sexual.

D) Genes de todas las especies, o sintetizadas en los laboratorios. Inventar una

especie nueva.

a. Son introducidos en una sola célula. A partir de esa célula se hace un

cultivo (se multiplica esa célula) y así obtenemos la planta.

b. Son introducidos genes simples especialmente preparados.

Todos estos genes han permitido el diseño de distintos medios y condiciones de cultivo

adecuados a las diferentes aplicaciones de la biotecnología.

Existen diferentes especies cuyo mapa genético ha sido detallado por métodos

biotecnológicos:

Cereales

Oleaginosas y

leguminosas Hortalizas Arroz Soja Guisante

Maíz Colza Judía

Garbanzo Tomate

Patata

Coliflor

Lechuga

Existen diferentes plantas transgénicas: Banano, Papa, Pasifloras, Arroz, Caña, Café,

Yuca, Algodón, Plantas ornamentales…

La siguiente imagen representa la superficie mundial de cultivos biotecnológicos entre

los años 1996 y 2007. Como se puede observar se ha producido un aumento de la

superficie total cultivada (línea verde), así como la superficie tanto en países

industrializados (línea azul), como en países en vías de desarrollo (línea roja):

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En las siguientes tabla y imagen se recoge la superficie (medida en millones de

hectáreas) que cada país ocupa con cultivos biotecnológicos:

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3. Beneficios y riesgos de la Biotecnología Vegetal

3.1 Beneficios

Se pueden ver de varios tipos:

1) Mejora en la producción de las cosechas.

a. Reducción de costes, económicos y ambientales. La reducción económica

se produce por ejemplo porque si nosotros tenemos una plante

resistente a un determinado patógeno, no tenemos que utilizar

plaguicidas y al no tener que usar ningún producto no vamos a

contaminar.

b. Cultivos más sanos (sin enfermedades).

c. Aumento de la tolerancia al estrés por aumento de la concentración

celular de solutos compatibles. Como consiguiente, las plantas son más

resistentes a la salinidad, al estrés por sequía…

2) Mejora de la calidad

a. Caracteres organolépticos, en cuanto a sabor, color, olor…

b. Mejora de la textura y tamaño de frutos

i. Por ejemplo. Tomate de larga duración, TOMATE Flaur Savr (Se

obtiene porque se le introduce ADN antisentido para silenciar el

gen de la poligalacturonasa que degrada las prectinas en la

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maduración. En este tomate el gen no se expresa y como

consecuencia los tomates están en la nevera mucho más tiempo).

c. Mayor contenido en almidón o plantas productoras de almidón industrial.

d. Modificación en la cantidad de aminoácidos y vitaminas en los frutos

i. ARROZ, con beta caroteno de genes de narciso (Arroz dorado).

ii. TOMATE, con 3 veces y media más de beta caroteno.

e. Alimentos diseñados especialmente para niños o enfermedades

determinadas (celíacos o diabéticos, por ejemplo).

3) Nuevas aplicaciones

a. Producción en plantas de proteínas con actividad inmunógena. Son las

llamadas vacunas comestibles para inmunización oral.

b. Producción de Kits comerciales para el diagnóstico de enfermedades.

c. Producción y concentración de metabolitos secundarios. Estos

metabolitos secundarios se utilizan para la síntesis de productos

farmacéuticos de enorme costo (anticancerígenos,etc).

d. Uso de plantas para descontaminar suelos.

e. Plaguicidas fertilizantes derivados de recursos no renovables.

f. Alteración del tiempo de floración para obtener una rápida maduración

por acortamiento del período de juvenilidad, por ejemplo.

3.2 Riesgos de la mejora genética de plantas

- En especies transgénicas resistentes a herbicidas, se utiliza menos cantidad de

herbicida porque no lo necesitan. Pero se corre el riesgo de lucro de

determinadas empresas.

- Los genes están sujetos a una dinámica huésped – parásito. Nosotros podemos

meter un gen de resistencia a un parásito en una planta con lo cual la planta no

va a desarrollar la enfermedad. Sin embargo, no hay nada que haga que un gen

transferido no pueda ser vencido por una mutación en el parásito (El parásito

puede sufrir una mutación con lo que puede volver a atacar a la planta a pesar

de que ésta sea una planta transgénica. Con lo cual estaríamos otra vez en la

situación inicial).

- Según los ecologistas, en el próximo siglo tendremos campos de cultivo repletos

de cosechas transgénicas capaces de soportar los pesticidas, fungicidas y

herbicidas más poderosos. Pero a su alrededor sin embargo, no habría nada: ni

pájaros, ni flores, ni especies autóctonas de la zona… solamente las especies

transgénicas que resisten a todo.

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- En especies forestales, la inserción de nuevos genes en su DNA podría afectar

a genes vitales. Pero no es tan fácil de saber si se han afectado o no. ¿Por qué?

Por que algunos genes de las especies forestales se expresan después de

algunos años de haberse plantado el árbol.

Algunos cambios genéticos se detectarían:

o Durante la fase de latencia.

o Mientras que otros podrían observarse después de la fase de madurez

cuando el árbol ya es capaz de dar frutos, es decir, de la floración.

o Por lo tanto, podrían transcurrir entre 10 y 50 años, o incluso más,

desde el momento de la siembra hasta la observación de los cambios en

estos genes.

- Si las especies genéticamente manipuladas pueden reproducirse sexualmente y

se usan en programas de reforestación, existe el temor de que el ADN

extraños sea transmitido a otras variedades cultivadas o a especies silvestres

emparentadas.

o Es decir, transmitirse a un material que estaría fuera del alcance del

hombre, donde un parásito podría ensayar sus genes de virulencia

pudiendo tener consecuencias inesperadas.

o Así pues, estaríamos yendo en un camino opuesto al de la sostenibilidad

de la agricultura.

Explicación del párrafo anterior: Si nosotros cultivamos plantas transgénicas y a su

alrededor hay plantas sexualmente compatibles, esas plantas transgénicas pueden

fecundar a las especies autóctonas de la zona y que no sean transgénicas. Con lo cual

es algo que está fuera de nuestro control y puede tener consecuencias inesperadas.

- Dado que los híbridos de cereales que se cultivan normalmente (no transgénicos)

son estériles y los transgénicos no lo son, ¿por qué no introducir un gen que los

haga igualmente estériles y así de esta manera se obliga al agricultor a comprar

cada año las semillas a la empresa que las comercializa?

4. Expectativas de futuro

- Plantas resistentes a patógenos y a los distintos estreses: a sequías, a salinidad

de los suelos, al frío, etc.

- Inserción en la planta de genes bajo el control de promotores inducibles por

sustancias químicas de este modo logramos que el rasgo se manifieste cuando

queramos.

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- Manipulación de los genes de pigmentos, del desarrollo de la flor o de las hojas:

o Obtención de nuevas variedades de flores y plantas ornamentales.