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COPYRIGHT 2005 Acedemia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales
Resumen
El desarrollo de tecnicas de manipulacion genetica constituye un valioso apoyo a los sistemas de mejoramiento convencional, principalmente en aquellas situaciones en las cuales el acceso a genes de interes se encuentra limitado. La utilizacion de cultivos transgenicos comerciales se ha expandido en el mundo en forma acelerada desde cuando se aprobo su uso en 1994, y son numerosos los beneficios que se han determinado para el agricultor y para el ambiente. El presente articulo presenta el contexto general de la manipulacion genetica de cultivos, un ejemplo de desarrollos en Colombia, relativos a la transformacion genetica de Passiflora edulis para darle resistencia a virus y tambien hace referencia a aspectos de bioseguridad.
Palabras clave: Plantas transgenicas, transformacion genetica, Passiflora edulis, bioseguridad.
Abstract
The development of genetic manipulation techniques has become an important tool for conventional crop breeding programs, especially where the required genes for breeding are limited. The commercialization and worldwide use of transgenic plants has been expanding since their approval for liberation in 1994, showing several benefits for the farmers as well as for the environment. This paper presents the general context of crop genetic manipulation, an example of developments in Colombia in genetic transformation of Passiflora edulis for virus resistance, and finally it refers to Biosafety issues.
Key words: Transgenic plants, genetic transformation, Passiflora edulis, Biosafety.
Introduccion
Este articulo se presenta en tres secciones: la primera ofrece un contexto general sobre el mejoramiento de cultivos mediante tecnicas de manipulacion genetica, sus principales conceptos y principios, asi como una vision global sobre el tema. La segunda seccion presenta un ejemplo de experiencias en Colombia: la transformacion genetica de Passiflora edulis para obtener resistencia a los virus. La tercera seccion, relacionada con aspectos generales de bioseguridad, plantea la importancia del fortalecimiento en este campo para una adecuada y segura aplicacion de los desarrollos biotecnologicos.
I.--Mejoramiento de cultivos y manipulacion genetica Agricultura y mejoramiento de cultivos
La seleccion y el mejoramiento de cultivos se iniciaron desde que la humanidad, hace mas de 10.000 anos, dejo de ser nomada para establecerse en zonas o regiones en donde se encontraban alimentos y condiciones adecuadas para su bienestar. El cambio de los habitos de caza, pesca y de recoleccion de plantas al de cultivos agricolas se considero tan importante que se denomino la "revolucion neolitica". La era neolitica fue una etapa de la evolucion de la humanidad caracterizada por el desarrollo de nuevas herramientas y metodos de supervivencia. El sedentarismo eventualmente ocasiono un incremento en el crecimiento de la poblacion y las sociedades desarrollaron sistemas de organizacion jerarquica. Como componente de este proceso, se inicio la domesticacion de cultivos y animales dirigida a satisfacer las necesidades del cultivador y del usuario, lo cual condujo a cambios en la composicion genetica de los organismos domesticados. A partir de ese momento la humanidad empezo a reducir el numero de especies de las cuales procuraba alimento, utilizando preferencialmente aquellas que le permitian obtener mejores productos o mayores rendimientos. Por otra parte, los viajes de exploracion modificaron considerablemente la agricultura mundial. El intercambio intercontinental de especies vegetales altero en forma sustancial la distribucion y abundancia de muchas especies de uso agricola. Plantas domesticadas en una region del mundo, con frecuencia encontraban en otro sitio condiciones similares, o aun mas ventajosas para su desarrollo.
El mejoramiento y la manipulacion genetica se iniciaron, desde cuando se origino la agricultura; entonces el hombre empezo a cruzar plantas o animales para que expresaran caracteristicas particulares. Durante mucho tiempo esta manipulacion se limito a la seleccion artificial de caracteristicas deseadas en los individuos de una poblacion, y a intercambios geneticos entre especies relacionadas. Estos cambios dependian de la variacion genetica disponible en las poblaciones, y de la estabilidad de los mismos, de su transferencia a las siguientes generaciones (Chrispeels & Sadava, 2003). Desde su inicio, el mejoramiento de cultivos, ha buscado responder a requerimientos de produccion, tales como el manejo de plagas y enfermedades, rendimiento y calidad del producto cosechado, respuesta a insumos, caracteristicas para el procesamiento del producto, arquitectura de la planta y tolerancia a factores abioticos, entre otros.
La seleccion y mejoramiento de cultivos, asi como las practicas agricolas convencionales, durante mas de 10.000 anos, han ocasionado una serie de impactos ambientales entre los cuales la erosion genetica es uno de los que esta causando mayor preocupacion. Los fitomejoradores han visto limitadas las posibilidades de mejoramiento mediante las tecnicas convencionales, debido a la reduccion del acervo genetico de las especies cultivadas y de sus parientes silvestres (Dale et al., 2002). La tecnologia de genes, que permite transferir o modificar genes de interes, representa un apoyo muy valioso para el mejoramiento de cultivos con el uso de plantas geneticamente modificadas (plantas GM). El desarrollo de las tecnicas de manipulacion genetica permite la introduccion de genes de especies no relacionadas filogeneticamente, es decir, permite superar las distancias entre los acervos geneticos, manifestadas en barreras biologicas de reproduccion sexual, las cuales impiden en condiciones naturales el intercambio de genes de interes agricola (N.U., 2003).
Transformacion genetica de plantas
El fitomejoramiento convencional, que entre otros metodos utiliza hibridizacion, es lento, y se limita a un numero reducido de genomas y a la restriccion de las barreras naturales de cruzamiento entre especies. Los avances en biotecnologia vegetal han permitido sobrepasar estas barreras y hacen posible transferir genes especificos a las plantas. La posibilidad de introduccion e integracion estable de genes foraneos en el genoma vegetal es una herramienta muy util en el fitomejoramiento (Birch, 1997). La transformacion genetica de plantas no reemplaza al fitomejoramiento convencional. Se trata simplemente de una herramienta adicional que puede facilitar y contribuir al mejoramiento de cultivos (N.U., 2003). Una vez se obtiene una planta transgenica en el laboratorio, se requieren varios anos de mejoramiento, con el fin de, por un lado asegurar que la nueva planta presente realmente los caracteres deseados y, en forma complementaria, multiplicar las semillas o propagulos para su distribucion comercial.
La tecnologia de genes presenta varias ventajas sobre los sistemas convencionales de fitomejoramiento. La principal es que se trata de una metodologia especifica, dado que se estan transfiriendo o modificando en una planta, de genoma conocido, solamente unos pocos genes. Adicionalmente, es una tecnica mas rapida que el mejoramiento convencional (Vasil, 1999). A diferencia de los sistemas de seleccion y cruzamiento, la transformacion genetica vegetal permite al mejorador introducir cualquier gen de cualquier organismo en un cultivo (ABSP, 2004). En la practica, los investigadores obtienen un gran numero de lineas transformadas para un gen especifico, y efectuan analisis convencionales para asegurar que la nueva linea presente exactamente las mismas caracteristicas de la linea parental a excepcion de la nueva caracteristica introducida. La tecnologia de genes no elimina el mejoramiento convencional, sino que lo complementa como cualquier otro metodo de laboratorio.
Un aspecto importante por considerar es el de que muchas de las caracteristicas agronomicas de un cultivo se obtienen como resultado de la accion de varios genes, es decir son caracteristicas poligenicas (Vasil, 1999). Muchos de los caracteres que los fitomejoradores desean incorporar a un cultivo se encuentran controlados de forma muy compleja, definida por varios genes en forma de caracteres cuantitativos, que se expresan en distribuciones continuas en poblaciones de progenie. Estas distribuciones se pueden determinar por herencia debida a multiples genes o por el ambiente (Chrispeels & Sadava, 2003). Mediante la tecnologia de genes solamente se pueden introducir o modificar uno o unos pocos genes en la planta. Para desarrollar con exito plantas transgenicas se requiere que el caracter deseado sea producto de la expresion de uno o de muy pocos genes, y tener disponibilidad de ese gen especifico, para transferido.
Las aplicaciones de la tecnologia de genes a la transformacion genetica de plantas dependen esencialmente de tecnicas de cultivo de tejidos, de biologia molecular y tambien involucran tecnicas microbiologicas (Vasil, 1999). En las ultimas decadas, los genetistas moleculares han realizado enormes avances que han permitido el desarrollo de nuevos campos de la ciencia, principalmente en los aspectos referentes a tecnologia de genes y biotecnologia vegetal. Los avances en la transformacion genetica dependen de las nuevas tecnologias que permiten a los investigadores aislar, identificar y clonar los genes. La tecnologia del DNA recombinante (rDNA), o tecnologia de genes, se desarrollo principalmente en la decada de 1980, pero tuvo su origen en el conocimiento de los plasmidos y de las enzimas de restriccion de las bacterias, ocurrido en la decada de 1970 (Chrispeels & Sadava, 2003). Las enzimas de restriccion y los plasmidos bacterianos son, actualmente, algunas de las herramientas que facilitan la manipulacion de los genes en el laboratorio. Dado que el DNA de todos los organismos presenta la misma estructura, se puede fragmentar en segmentos, y los segmentos pueden ser unidos de nuevo en multiples combinaciones y, en forma complementaria, utilizar la capacidad que tienen algunos plasmidos bacterianos de poder ser transferidos de uno a otro organismo.
El procedimiento corriente utilizado para la transformacion genetica de plantas de cultivo incluye varias etapas. Generalmente, a partir de la definicion de un problema o limitante de produccion, y el aislamiento y disponibilidad de un gen de interes a partir de cualquier organismo (que permita enfrentar el problema), se realiza la transferencia y la integracion estable de ese gen al genoma de las celulas vegetales mediante la preparacion de un vector y un sistema de transferencia adecuado. Para la transferencia exitosa de genes, uno de los factores mas importantes es el de tener disponible un gran numero de celulas competentes, tanto para la transferencia de genes, como con capacidad de regeneracion adecuada en sistemas de cultivo de tejidos (Birch, 1997). En el proceso, se seleccionan las celulas transformadas y se obtiene regeneracion de plantas completas en las cuales se evalua tanto la presencia del transgen, como el fenotipo deseado en el momento requerido. El desarrollo de brotes y su arraigo en un medio que contenga el agente selectivo generalmente es indicativo de transformacion exitosa. El transgen debe transferirse a la descendencia en forma mendeliana.
Se han utilizado varias estrategias para la obtencion de plantas transgenicas, que incluyen metodos biologicos como la utilizacion de la bacteria Agrobacterium, o metodos fisicos como biolistica (bombardeo de particulas), electroporacion, abrasion con fibras, tratamiento con polietilenglicol (PEG), utilizacion de laser y microinyeccion. Entre los metodos mas utilizados y efectivos se encuentra la transformacion por medio de Agrobacterium (utilizando A. tumefaciens o A. rhizogenes). Agrobacterium, bacteria natural del suelo, es considerada como un ingeniero genetico natural, que utiliza un complejo y muy evolucionado sistema de transferencia e integracion de genes, aun no dilucidado totalmente. Parte del mecanismo de transferencia e integracion del DNA foraneo a la planta se efectua mediante un complejo de proteina y DNA de cadena sencilla, que se introduce en un numero reducido de copias por celula vegetal (Birch, 1997). Probablemente, la mayor ventaja de la transformacion por medio de Agrobacterium es que ofrece el potencial de generar celulas transgenicas a altas frecuencias relativas sin que se presente una reduccion significativa en la capacidad de regeneracion (Zupan & Zambryski, 1997).
En condiciones naturales, Agrobacterium, es patogena para algunas especies de plantas, causandoles induccion de tumores. El estudio de este fenomeno permitio el descubrimiento de la transferencia de genes bacterianos en plantas. Cuando la bacteria infecta el tejido vegetal, le transfiere parte del genoma de un plasmido que posee. Los genes transferidos ocasionan una proliferacion de celulas no diferenciadas que constituyen el tumor o agalla de corona. De unas 200 kilobases, el plasmido llamado Ti (inductor del tumor) posee una porcion denominada de transferencia (T-DNA) que es el segmento de acido nucleico que se transfiere a la celula vegetal en donde puede integrarse de manera estable en el genoma. Aunque de origen bacteriano, los plasmidos pueden transferir secuencias regulatorias eucarioticas que se transcriben activamente en plantas (Birch, 1997, Chrispeels & Sadava, 2003).
DNA de transferencia (T-DNA)
Los...
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