La mejora genética ha sido la base del desarrollo de la agricultura desde que el ser humano dejó de ser recolector para convertirse en productor de sus propios alimentos. La domesticación de especies silvestres permitió el desarrollo de variedades con mayores rendimientos, frutos de mejor calidad o mejor sabor, mucho antes del descubrimiento de los genes por parte de Mendel. Con el tiempo, la comprensión de los mecanismos genéticos y los avances en biotecnología han abierto nuevas posibilidades para la mejora de los cultivos. Estas herramientas permiten acelerar los procesos de selección y desarrollar variedades más adaptadas a los desafíos actuales, como el cambio climático. Se abre paso la agricultura del futuro.

Texto: Noemí Trabanco | Fotos: Envato

Al observar una mazorca de maíz silvestre, conocida como teocintle, se aprecia que es bastante diferente a las mazorcas que hoy se consumen y se pueden encontrar en los supermercados. Estas diferencias son el resultado de miles de años de domesticación por parte del ser humano: durante más de diez mil años, ha seleccionado las plantas que daban frutos más grandes y de mejor calidad. Cuando antepasados del Neolítico pasaron de ser meros recolectores a cultivar sus propios alimentos, comenzó la mejora genética de las plantas. Sin conocimientos científicos, pero mediante la observación y la selección, lograron transformar especies silvestres en cultivos que se adaptaban mejor a sus necesidades. El proceso continuó, permitiendo también la adaptación de cultivos foráneos, como la patata o el tomate en Europa. La gran revolución ocurrió en el siglo  XIX, cuando Gregor Mendel descubrió los principios de la herencia genética y se sentaron las bases para la mejora genética moderna. Gracias al desarrollo científico y las innovaciones en herramientas biotecnológicas, los investigadores están abriendo nuevas vías para adaptar los cultivos a los retos del presente y del futuro. El aumento de la población mundial, los efectos del cambio climático y la exigencia de una agricultura más sostenible requieren el desarrollo de variedades vegetales más eficientes, resilientes y adaptadas a estas nuevas necesidades para mantener la seguridad alimentaria. Estas herramientas tecnológicas ayudan a entender mejor cómo las plantas responden a condiciones adversas como temperaturas más altas o sequías. Entender la base molecular que explica cómo se comportan las plantas es clave para los programas de mejora genética dirigida. Como explica María Reguera, investigadora del Ramón y Cajal y profesora titular en la Universidad Autónoma de Madrid, «una de las herramientas más potentes que tenemos es la secuenciación genómica y transcriptómica. Gracias a esta tecnología, podemos leer el ADN de las plantas y saber qué genes se activan cuando se enfrentan, por ejemplo, a estrés». Reguera lidera el grupo de Estrés abiótico en plantas y su impacto en calidad nutricional de semillas, dedicado a estudiar cómo las variaciones ambientales afectan las características nutricionales de semillas de cultivos emergentes en Europa, como la quinoa. Otras herramientas biotecnológicas, como el fenotipado de alta precisión, permiten caracterizar el comportamiento de las plantas frente a determinados cambios ambientales, midiendo de forma automatizada y precisa múltiples características (fenotipos) de la planta en tiempo real y a gran escala. Para ello, los centros de investigación disponen de instalaciones altamente especializadas que están equipadas con cámaras multi o hiperespectrales y cámaras térmicas, sensores de imagen, sistemas automatizados o drones y plataformas móviles para la evaluación en campo. Asimismo, los avances en modelización y simulación computacional representan un importante apoyo para predecir el rendimiento de los cultivos en distintos escenarios climáticos. «Con estos modelos podemos, entre otras cosas, anticipar qué variedades de trigo serían más productivas en regiones donde la  temperatura media ha aumentado en los últimos años, o dónde sería más eficiente cultivar especies más resistentes a la sequía», declara la investigadora. Un ejemplo de estas instalaciones es el Centro Tecnológico de Investigación Multicultivo que la multinacional Corteva Agriscience tiene en La Rinconada, Sevilla. Es el mayor centro a nivel global de investigación para el desarrollo de nuevas variedades de girasol, uno de los cultivos para los que la compañía desarrolla programas de mejora junto con los de maíz, trigo, soja y colza. «El cultivo en condiciones controladas en invernadero permite el desarrollo de cuatro generaciones anuales, de manera que los caracteres de interés tanto nutricionales –como puede ser el girasol alto oleico– como de resistencias a plagas y enfermedades son seleccionados mediante marcadores moleculares», explica Alfredo Mateos, científico e investigador principal de mejora genética del maíz en la compañía. «Esto permite poner en el mercado en el menor tiempo posible nuevas variedades con caracteres de interés para el agricultor y el consumidor final», añade. Este Centro Tecnológico centra sus programas de mejora en la incorporación de resistencias a plagas y enfermedades, la mejora del valor nutricional, la adaptabilidad a nuevas condiciones ambientales o la mejora de determinadas características agronómicas. «Modificando, por ejemplo, la arquitectura de la planta se puede reducir el encame o caída ante condiciones climáticas adversas, adaptar de su ciclo de maduración a las diferentes zonas de cultivo o incrementar la eficiencia en el uso de agua y nutrientes», puntualiza Mateos. Otro de los desarrollos biotecnológicos que ha abierto la puerta a una mejora genética más eficaz y dirigida es la técnica CRISPR-Cas9, mecanismo basado en un sistema natural de defensa bacteriana que permite cortar y modificar el ADN en una localización específica. Reguera expone que, gracias a esta tecnología, son posibles cambios muy precisos en el genoma de una planta, que mejoran, entre otros aspectos, su tolerancia a la sequía o su capacidad para resistir plagas sin necesidad de utilizar tantos fitosanitarios. «Es como ajustar los engranajes de un reloj para que funcione mejor en condiciones difíciles», aclara. Aunque muchos productos editados con CRISPR no se consideran transgénicos si no contienen ADN de otra especie, la clasificación legal es heterogénea según el país. En este sentido, Mateos asegura estar convencido de que, «en el futuro, supondrán un gran avance en todos los sentidos, una vez que se aprueben finalmente en Europa». Por su parte, José Antonio Abelenda, investigador en la Misión Biológica de Galicia (MBG-CSIC) y experto en el estudio de la floración, incide en que no se puede ignorar que todavía es necesario un conocimiento más amplio sobre qué gen o genes deben modificarse y qué consecuencias indirectas puede tener esta modificación para muchos caracteres de interés. «Desconocemos aspectos muy básicos de la fisiología y biología de las plantas. Las consecuencias colaterales de editar un gen en concreto son muchas veces desconocidas. Por ahora, los casos de éxito (como eliminar las gliadinas que causan la intolerancia al gluten en el trigo) han sido en genes o rutas excepcionalmente bien descritas y conocidas por largo tiempo. Sin embargo, es una herramienta impresionante a nuestra disposición», explica. 

Controlar la floración

La producción de flores es una etapa crítica para la agricultura, ya que influye directamente en la producción de frutos y semillas. El rendimiento y gestión de los cultivos y la calidad final del fruto están en gran medida determinados por el momento y las condiciones ambientales en las que se produce la floración. Las especies vegetales tienen distintos requerimientos específicos para que se induzca desde los propios genes a determinadas condiciones ambientales de luz, temperatura o fotoperiodo (relación día/noche). Si se producen situaciones de estrés ambiental, se puede adelantar, retrasar o inhibir la floración. Las plantas tienen distintas sensibilidades incluso en periodos muy cortos –pero constantes– de alteraciones en la temperatura o el clima. La mayoría de los cultivos son más sensibles a incrementos de temperatura durante la noche. Un ejemplo extremo de esta sensibilidad de las plantas a la temperatura nocturna es la floración de algunos cactus, como la «reina de la noche» (Selenicereus grandiflorus) que, una o dos noches al año, abre sus flores para atraer a los polinizadores con su aroma, pero durante el día las cierra. «Las plantas poseen mecanismos exquisitos para la medición del tiempo, basándose en la cuantificación de cambios en la luz y la temperatura», revela Abelenda. Por ello, las modificaciones en el clima que están teniendo lugar en la actualidad también afectan de forma distinta a las especies de interés agrícola. «En muchos casos, como ciertas brasicáceas o frutales, periodos intensos de temperatura elevada provocan que las plantas florezcan antes. Sin embargo, cuando ciertas variedades de brasicáceas de primavera o verano sufren altas temperaturas retrasan o incluso inhiben la floración», añade.  Que la floración tenga lugar a destiempo provoca enormes pérdidas en la productividad. «Las plantas producen los frutos y semillas que nos comemos con lo producido por el tejido vegetativo, como las hojas. Si la planta no ha tenido tiempo suficiente y florece antes de tiempo, la calidad y cantidad de lo producido será menor», explica el investigador. El control de la floración es, por tanto, un factor clave para la adaptación de los cultivos a condiciones climáticas cambiantes. Sin embargo, los mecanismos genéticos implicados en el proceso son complejos e involucran múltiples genes e intrincados mecanismos de regulación. El desarrollo de variedades adaptadas es complicado en el corto plazo. Según José Antonio Abelenda, «el futuro no está planteado para la mejora y obtención del cultivo perfecto, sino para toda una pléyade de variantes disponibles del cultivo que permitan flexibilizar las opciones de conseguir el máximo rendimiento al mínimo coste».

Microorganismos aliados

La biotecnología microbiana en plantas utiliza microorganismos beneficiosos, como bacterias y hongos, para potenciar el crecimiento vegetal, mejorar la salud de los cultivos y aumentar su productividad de forma sostenible. Estos microorganismos pueden, por ejemplo, fijar nitrógeno atmosférico, producir fitohormonas que estimulan el desarrollo de las plantas o actuar como agentes de biocontrol frente a patógenos. Además, pueden contribuir a incrementar la tolerancia de los cultivos frente a condiciones adversas. «El uso de microorganismos promotores del crecimiento vegetal (PGPR) –bacterias y hongos que estimulan el desarrollo de las plantas– está ayudando a que las plantas sean más resilientes al estrés ambiental», revela María Reguera. La aplicación de estos microorganismos se traduce en el uso de biofertilizantes, biopesticidas y consorcios microbianos adaptados a diferentes entornos agrícolas. Este tipo de soluciones no solo mejora la eficiencia productiva, sino que también representa una alternativa más respetuosa con el medioambiente al reducir el uso de productos químicos y minimizar el impacto de la agricultura sobre la calidad del suelo. El uso de virus como herramientas para inmunizar a los seres humanos frente a algunas enfermedades graves constituye uno de los pilares de las vacunas. Estos organismos podrían servir, de forma análoga, para la «inmunización vegetal» frente a enfermedades infecciosas. La empresa española Abiopep, una spin-off del grupo de Patología Vegetal del CEBAS-CSIC con sede en Murcia, ha desarrollado un producto fitosanitario innovador contra el virus del mosaico del pepino (PepMV) en tomate. El producto está basado en aislados atenuados de otras cepas del virus que infecta las plantas de tomate sin causarles daño, pero impidiendo la infección por cepas más agresivas de PepMV. Es este caso, el virus fue identificado casi por casualidad y su capacidad infectiva, pero no patogénica, permitió el desarrollo de esta solución biotecnológica. En la misma línea, el investigador Fabio Pasin, del Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (IBMCP, centro mixto del CSIC y la Universidad Politécnica de Valencia), trabaja en biotecnología de virus vegetales explorando el uso de virus atenuados como vectores para introducir genes beneficiosos en cultivos. «La idea aquí va más allá –expone Pasin–: ¿podemos aprovechar todo el conocimiento que tenemos sobre la biología molecular de los virus de plantas para diseñar un virus que no exista en la naturaleza, pero que otorgue a las plantas un fenotipo interesante, difícil o incluso imposible de encontrar de forma natural?». Mediante esta estrategia se podría, por ejemplo, introducir un virus inocuo y que produzca una proteína que confiera resistencia frente a un patógeno o una proteína que regule la floración. Esto se ha probado en cítricos, a escala de laboratorio, y ha permitido reducir los tiempos para seleccionar determinados materiales de interés. La normativa actual permite el uso de virus existentes, pero no el uso de virus recombinantes, algo que sí sucede en el desarrollo de vacunas para humanos y animales o en determinadas terapias génicas para el tratamiento de patologías humanas. «No existen precedentes y es un tema que, ante el desconocimiento, puede asustar, pero nuestra idea es que, del mismo modo que existen vacunas basadas en virus recombinantes, exista algo parecido para plantas», añade el investigador. Otra de las claves es el uso de virus muy específicos de una determinada especie o con un rango de huéspedes muy limitado, o la modificación del virus para evitar que su vector de transmisión pueda transferirlo a otras especies vegetales. Pasin incide en que se trata, al mismo tiempo, de una cuestión económica. «Los productos de uso agrícola no pueden alcanzar los precios de un tratamiento farmacéutico, por lo que muchas grandes empresas no lo ven rentable, en especial, al tener también en cuenta la necesidad de un cambio en la legislación vigente», concluye. 

La agricultura del mañana

Sobre el futuro de la agricultura, los científicos y expertos en innovación tienen claro que el avance de los programas de mejora y el desarrollo de nuevas variedades y cultivos adaptados a las nuevas condiciones debe ir de la mano de la investigación de los mecanismos regulatorios del desarrollo vegetal y de su interacción con el medio. Para ello, es imprescindible contar con especies modelo, con genomas más sencillos, que permiten la realización de experimentos en condiciones controladas. Gracias a estas investigaciones, «podemos descubrir genes y rutas metabólicas clave que después sirven como base para desarrollar nuevas variedades. Sin ese conocimiento detallado sobre cómo las plantas gestionan el agua, cómo activan sus defensas frente a un patógeno o cómo optimizan el uso de nutrientes, no sería posible avanzar en técnicas como la edición genética o la selección asistida por marcadores», resalta María Reguera. No obstante, los investigadores también destacan la importancia de realizar estudios comparativos en cultivos asociados con las especies modelo. «Hay procesos que son totalmente imposibles de estudiar en organismos modelo. Yo, que he dedicado gran parte de mi carrera a estudiar la tuberización en patata, no podría estudiar este proceso en un organismo que no fuese el propio cultivo. El futuro, desde mi punto de vista, es la recreación de la planta cultivada en versiones más manejables en el laboratorio». Además de la innovación biotecnológica, la incorporación de prácticas agronómicas más sostenibles y la innovación en las técnicas de manejo de los cultivos son elementos clave. En este sentido, el Centro Tecnológico de Corteva Agriscience combina esas estrategias para mejorar la resiliencia de los cultivos y asegurar la seguridad alimentaria en un mundo cambiante. Otra pieza clave es contar con la biodiversidad vegetal como fuente de variabilidad genética. «Es una herramienta fundamental para la identificación de genes de interés que puedan conferir ventajas adaptativas. Permite que nuevas poblaciones o variedades se adapten a cambios ambientales y sobrevivan a condiciones adversas o cambiantes», indica Alfredo Mateos. La colaboración internacional y el desarrollo de proyectos de innovación donde se fomente la participación no solo de instituciones de investigación y empresas biotecnológicas, sino también de otros actores del sector agrícola son una excelente forma de buscar soluciones a los problemas a los que se enfrenta la agricultura. En Europa, la Comisión Europea, desde su Comisionado para la Agricultura y sus mecanismos de financiación a la innovación, como el Programa Marco Horizonte Europa, está tratando de fomentar estas alianzas, más con la situación geopolítica actual. El pasado 8 de mayo tuvo lugar una conferencia sobre cómo modelar el futuro de la agricultura y el sector agroalimentario, donde buena parte de las discusiones se centraron en la necesidad de aumentar la resiliencia a los riesgos climáticos y las crisis económicas y políticas mediante la colaboración entre todos los actores implicados. Un gran reto por delante.