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El dilema de los fitomejoradores: ¿sexo o no sexo?

Publicado: 18 de diciembre de 2023
Por: Ing. Alberto Chessa
Resumen

La capacidad de cambiar entre los modos de reproducción sexual y asexual en las plantas se está explotando para ayudar a algunos de los agricultores más pobres del mundo.

La capacidad de cambiar entre los modos de reproducción sexual y asexual en las plantas se está explotando para ayudar a algunos de los agricultores más pobres del mundo
El dilema de los fitomejoradores: ¿sexo o no sexo?
Mediante la explotación de las peculiaridades en la reproducción de las plantas, un equipo internacional de investigadores financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates y encabezado por la profesora Anna Koltunow de la Universidad de Queensland está tratando de mejorar los resultados para los agricultores.
El objetivo final es aumentar los rendimientos y la resistencia al tiempo que se reducen los costos en la granja, mejorando así la productividad agrícola, la rentabilidad y la seguridad alimentaria.
Los primeros en beneficiarse son los pequeños agricultores pobres del África subsahariana que dependen de especies de cultivos excepcionalmente tolerantes a la sequía y resistentes para sobrevivir.
De primordial importancia son el sorgo y el caupí, domesticados en África, e importantes cultivos alimentarios de subsistencia.
Debido a que los híbridos, la descendencia de padres endogámicos genéticamente divergentes, pueden ser excepcionalmente resistentes y altamente productivos, son el enfoque inicial de este trabajo.
El profesor Koltunow explica que es posible obtener un rendimiento significativamente mayor mediante el cultivo de híbridos, ya que tanto el sorgo como el maíz se cultivan comercialmente de esta manera.
La desventaja para los agricultores es que este vigor híbrido que aumenta el rendimiento, técnicamente conocido como "heterosis", se expresa solo en la primera generación de progenie.

"Los híbridos son valiosos para la agricultura, pero el beneficio se ve contrarrestado por el costo para el agricultor de comprar semillas híbridas cada año". - Profesor Koltunow

"Para que los pequeños agricultores se beneficien de los híbridos, el nuevo método de mejoramiento que estamos desarrollando permitirá a los agricultores retener y volver a sembrar semillas híbridas durante varias generaciones".

La experiencia adecuada
El profesor Koltunow tiene un formidable historial de logros en la investigación de la reproducción de plantas y de traducir esa investigación en ganancias en los sectores agrícolas.
Su investigación se centra en los mecanismos moleculares y genéticos que regulan el desarrollo de los tipos de células reproductoras de plantas y, por lo tanto, la formación de semillas y frutos.
Los logros incluyen el desarrollo de frutas sin semillas, un producto codiciado en el sector hortícola.
Fue seleccionada por la Fundación Bill y Melinda Gates para dirigir una empresa de investigación colaborativa internacional entre seis organizaciones de investigación y una empresa multinacional de semillas para desarrollar tecnologías para que los pequeños agricultores africanos pudieran ahorrar económicamente semillas de híbridos de caupí y sorgo.
El profesor Koltunow dirigió la primera fase de cinco años de este proyecto, llamada Captura de la heterosis, mientras estaba en CSIRO.
Este proyecto finalizó en julio de 2019 y la segunda fase, también financiada por la Fundación Bill y Melinda Gates – Hy-Gain – comenzó en marzo de 2020, en la Universidad de Queensland.
Members of the Hy-Gain research team at UQ’s Crop Research Unit at Gatton. Pictured L to R: Professor David Jordan, Dr Emma Mace and Professor Ian Godwin.
Miembros del equipo de investigación de Hy-Gain en la Unidad de Investigación de Cultivos de la UQ en Gatton. En la foto, de izquierda a derecha: el profesor David Jordan, la Dra. Emma Mace y el profesor Ian Godwin.
El profesor Koltunow, que en 2019 asumió el cargo de profesor investigador en QAAFI, volverá a dirigir el proyecto.
El equipo de Hy-Gain incluye a los principales investigadores de sorgo de QAAFI, el profesor David Jordan, la Dra. Emma Mace y el profesor Ian Godwin, que tienen experiencia en mejoramiento, genética y transformación.
El profesor asociado Brett Ferguson, de la Facultad de Agricultura y Ciencias de los Alimentos (SAFS) de la Universidad de Queensland, está contribuyendo con su experiencia líder en biotecnología de leguminosas.
Estos investigadores están vinculados a cinco prestigiosos institutos internacionales de investigación y a una empresa multinacional de semillas, que colectivamente forman Hy-Gain, un equipo de investigación público-privado para promover la seguridad alimentaria en el mundo en desarrollo.
El proyecto, de cinco años de duración, incluye financiación en especie de varias de las instituciones participantes.

«Juntos, el equipo del proyecto Hy-Gain está desarrollando nuevas formas de mejorar las variedades de sorgo y caupí que permiten lograr grandes ganancias en los rendimientos, al tiempo que aumentan la resiliencia a las enfermedades y al estrés ambiental». - Profesor Koltunow

La clave para preservar el vigor híbrido intergeneracional radica en uno de los aspectos más peculiares de la biología sexual de las plantas: la 'apomixis', que también se conoce como formación de semillas asexuales.

Asexualidad
Cowpea flower
Cowpea flower
Hay muchas plantas no agronómicas que pueden reproducirse asexualmente, lo que significa que evitan la necesidad de meiosis durante la formación de gametos y la fertilización por parte de las células sexuales masculinas para formar una semilla.
El sorgo y el caupí no están entre ellos. "Si una semilla híbrida está equipada con interruptores genéticos para producir células sexuales femeninas por mitosis y también producir embriones sin fertilización, el híbrido se auto sembraría y sería capaz de hacer clones de sí mismo a través de la semilla", dice el profesor Koltunow.

"Estamos desarrollando prototipos de este tipo de plantas y probando si esto fijará esas valiosas características híbridas cuando la semilla híbrida se plantó, floreció y produjo más semilla". - Profesor Koltunow

En los países en desarrollo, esto permitiría que las semillas híbridas se conservarán y se volverán a sembrar en la finca durante varias generaciones, lo que permitiría al agricultor obtener ganancias de rendimiento y embolsarse los ingresos que de otro modo se necesitarían para comprar semillas híbridas cada año.
"En los países desarrollados, la tecnología reducirá los costos de las semillas y aumentará la tasa de mejoramiento genético".
El profesor Koltunow dice que la estrategia parece muy prometedora para el sorgo, pero que hay mucho trabajo por hacer. El caupí, como la mayoría de las legumbres, normalmente no se cultiva como híbrido.
Se requiere un conjunto de herramientas para permitir que los genes se activen en el lugar correcto en el momento correcto.
La colaboración de investigación Hy-Gain está ampliando el conocimiento de la genómica del caupí (análisis de materiales genéticos del caupí), la transcriptómica (para analizar los cambios en la expresión génica) y el uso de técnicas de transformación de última generación (para alterar específicamente los genes del caupí) para respaldar los objetivos del proyecto.

Meterse con el sexo
Sorghum red heads in a field. 
Cabezas rojas de sorgo en un campo
Uno de los aspectos más sorprendentes de los avances logrados en la fase de investigación previa bajo la dirección del profesor Koltunow es el número relativamente pequeño de cambios necesarios para cambiar a un modo asexual de formación de semillas.
Los cambios evitan que la célula sexual femenina sufra un tipo especial de división celular (meiosis) que normalmente reduciría a la mitad el número de cromosomas transmitidos a la descendencia y también diversificaría el contenido genético de esos cromosomas.
Al mantener un complemento completo de cromosomas (no mezclados), la célula sexual femenina es competente para formar el embrión de la semilla, sin fecundación, a través de la acción de otro gen.

"El objetivo final de nuestro trabajo, a largo plazo, es ofrecer variedades de sorgo y caupí adaptadas a África con características mejoradas de rendimiento y resiliencia", dice.

"Para hacer eso, debemos asegurarnos de desarrollar una tecnología que se pueda usar fácilmente en la cría.
Necesitamos flexibilidad para cambiar entre la formación de semillas sexuales y asexuales.
Esto nos permitiría desarrollar rápidamente nuevas variedades híbridas, dirigidas a regiones agroecológicas específicas, y apoyar la mejora de variedades no híbridas con características de resiliencia y calidad para hacerlas llegar más rápido al productor, evitando el estancamiento varietal.
"Ya estamos teniendo en cuenta estas consideraciones en la siguiente fase del proyecto, si Hy-Gain tiene el éxito que esperamos".
Si se desarrolla como una herramienta práctica de mejoramiento, esta tecnología tiene muchas otras aplicaciones, incluso dentro del programa de mejoramiento de sorgo de Australia, y también en la adaptación de la industria de granos a los impactos climáticos que enfrentan a la nación con condiciones de cultivo más cálidas y secas.
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Mediante la explotación de las peculiaridades en la reproducción de las plantas, un equipo internacional de investigadores financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates y encabezado por la profesora Anna Koltunow de la Universidad de Queensland está tratando de mejorar los resultados para los agricultores
La desventaja para los agricultores es que este vigor híbrido que aumenta el rendimiento, técnicamente conocido como 'heterosis', se expresa solo en la primera generación de progenie. 'Para que los pequeños agricultores se beneficien de los híbridos, el nuevo método de mejoramiento que estamos desarrollando permitirá a los agricultores retener y volver a sembrar semillas híbridas durante varias generaciones'.
La clave para preservar el vigor híbrido intergeneracional radica en uno de los aspectos más peculiares de la biología sexual de las plantas: la 'apomixis', que también se conoce como formación de semillas asexuales. En los países en desarrollo, esto permitiría que las semillas híbridas se conservarán y se volverán a sembrar en la finca durante varias generaciones, lo que permitiría al agricultor obtener ganancias de rendimiento y embolsarse los ingresos que de otro modo se necesitarían para comprar semillas híbridas cada año.
Si se desarrolla como una herramienta práctica de mejoramiento, esta tecnología tiene muchas otras aplicaciones, incluso dentro del programa de mejoramiento de sorgo de Australia, y también en la adaptación de la industria de granos a los impactos climáticos que enfrentan a la nación con condiciones de cultivo más cálidas y secas.
Autores:
Alberto Chessa
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Liliana Gray
17 de enero de 2024
Una investigación y desarrollo apasionante. Transformación de plantas de especies de reproducción sexual en apomícticas, con el objeto de capitalizar buenas propiedades agronómicas y agrícolas. Un interrogante en el caso de variedades híbridas F1 heteróticas, si se lograra fijar F1 apomíctica, o sea clonar y reproducir asexualmente mediante semilla apomíctica esa especial combinación sin que varíe en su expresión?: Conservará la heterosis lograda?.
Entusiasma esta investigación. En la Universidad como profesora de mejora genética de cultivos, le di un especial lugar a la apomixis. Gracias por la nota¡
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