Historia del mejoramiento genético: de seleccionar semillas a editarlas con CRISPR

Cuando escuchamos hablar de CRISPR, edición genética o biotecnología, es fácil pensar que se trata de tecnologías completamente nuevas. Sin embargo, la historia del mejoramiento de las plantas comenzó mucho antes de que existieran los laboratorios, los microscopios o incluso el conocimiento sobre el ADN.

Hace más de 10.000 años, los primeros agricultores descubrieron algo sorprendente: si guardaban las semillas de las plantas que daban mejores frutos, resistían mejor las enfermedades o producían cosechas más abundantes, la siguiente generación de cultivos también podía mejorar. Sin saberlo, estaban dando los primeros pasos del mejoramiento vegetal.

Desde entonces, el objetivo nunca ha cambiado: desarrollar plantas con características que respondan mejor a las necesidades de las personas y del ambiente. Lo que sí ha evolucionado son las herramientas. A la selección de semillas le siguieron los cruzamientos, el nacimiento de la genética, la mutagénesis, la biotecnología y, más recientemente, la edición genética con tecnologías como CRISPR.

Si hoy disfrutamos de tomates más grandes, maíz más productivo, arroz adaptado a diferentes climas o papas más resistentes a enfermedades, es gracias al mejoramiento genético.

En términos sencillos, el mejoramiento genético es el proceso mediante el cual las personas desarrollan nuevas variedades de plantas con características que consideran útiles. Estas características pueden ser una mayor producción, mejor calidad nutricional, resistencia a plagas y enfermedades, tolerancia a la sequía o incluso una mejor adaptación al cambio climático.

Aunque el concepto puede sonar moderno, en realidad acompaña a la agricultura desde sus orígenes. Lo que ha cambiado con el tiempo no es el propósito del mejoramiento, sino las herramientas utilizadas para lograrlo. 

Antes de hablar de agricultura, conviene separar dos conceptos.

• La selección natural ocurre sin una decisión humana. Dentro de una población existen diferencias heredables y algunas favorecen la supervivencia o la reproducción en determinado ambiente. Con el paso de las generaciones, esas características pueden hacerse más frecuentes.
• La selección artificial, en cambio, ocurre cuando las personas deciden qué plantas conservar y reproducir. El criterio ya no depende únicamente de sobrevivir en la naturaleza, sino de características de interés como sabor, tamaño, rendimiento o facilidad de cosecha.

La selección natural produjo la diversidad sobre la que después comenzaron a trabajar los agricultores. El mejoramiento vegetal empezó cuando las personas intervinieron deliberadamente en ese proceso.

Lo que cambió en esta etapa

Las personas dejaron de depender únicamente de las plantas que encontraban en la naturaleza y comenzaron a orientar sus características.

Su reto

La selección solo podía trabajar con la diversidad disponible. Para reunir características de plantas diferentes hacía falta otra estrategia.

Las primeras comunidades agrícolas no conocían los genes, pero sí podían observar diferencias entre las plantas.

• Algunas producían más semillas. Otras tenían frutos menos amargos, maduraban al mismo tiempo o conservaban sus granos unidos a la planta, lo que facilitaba la cosecha.
• Al guardar y volver a sembrar esos materiales, los agricultores aumentaron poco a poco la presencia de características útiles.

Así comenzó la domesticación: un proceso gradual mediante el cual las plantas silvestres cambiaron mientras se adaptaban a las necesidades humanas y a los ambientes de cultivo.

El maíz es uno de los ejemplos más conocidos. Su ancestro silvestre, el teosinte, tiene una estructura muy distinta a las mazorcas actuales. Durante generaciones, la selección realizada por agricultores transformó su arquitectura, el tamaño de sus estructuras reproductivas y la cantidad de granos.

La papa siguió su propio recorrido en los Andes de América del Sur, donde fue domesticada y diversificada. Hoy es uno de los cultivos alimentarios de mayor importancia mundial.

Un cruzamiento consiste en utilizar dos plantas como progenitores para reunir características de ambas en la descendencia.

Por ejemplo, una variedad puede producir frutos de buena calidad, pero ser sensible a una enfermedad. Otra quizá tenga frutos menos atractivos, pero conserve una resistencia valiosa. Al cruzarlas, los mejoradores buscan descendientes que combinen ambas ventajas.

• El proceso no termina con el primer cruce. Cada nueva generación presenta combinaciones distintas, por lo que es necesario sembrar, evaluar y seleccionar durante varios ciclos.
• De esta estrategia también surgieron los híbridos, obtenidos al cruzar líneas genéticamente diferentes. En ciertos cultivos, la primera generación puede mostrar vigor híbrido o heterosis: un mejor desempeño frente a sus progenitores en características como crecimiento o rendimiento.

 En arroz, por ejemplo, las semillas híbridas se producen mediante el cruce de dos parentales distintos para aprovechar este fenómeno.

Lo que cambió en esta etapa

Ya no era necesario esperar a que todas las características deseadas aparecieran juntas en una población. Era posible combinar materiales distintos.

Su reto

Los cruzamientos transmiten grandes porciones del ADN de ambos progenitores. Junto con una característica útil pueden pasar otras que no interesan, y separarlas requiere varias generaciones.

En el siglo XIX, Gregor Mendel realizó miles de cruzamientos con plantas de guisante. En lugar de observar la planta como un conjunto, siguió características fáciles de distinguir, como el color de las semillas o la altura.

• Sus resultados mostraron que ciertos rasgos se transmitían mediante unidades separadas y que algunas versiones podían ser dominantes o recesivas. El término gen apareció en 1909 para nombrar esas unidades de herencia.
• Esto dio al mejoramiento una base científica. Los investigadores podían diseñar cruzamientos, anticipar algunos patrones de herencia y seleccionar descendientes con mayor conocimiento.

No obstante, muchas características agrícolas —como rendimiento, tolerancia a sequía o altura— no dependen de un solo gen. Suelen estar influidas por varios genes y por el ambiente, por lo que no siempre siguen patrones mendelianos sencillos.

Lo que cambió en esta etapa

La herencia dejó de ser solamente algo que se observaba. Comenzó a explicarse y predecirse.

Su reto

El mejoramiento seguía dependiendo de la variación que aparecía naturalmente o de las combinaciones obtenidas mediante cruzamientos. La siguiente pregunta fue inevitable: ¿podía generarse nueva diversidad?

Las mutaciones son cambios en el ADN. Aparecen naturalmente y constituyen una fuente esencial de diversidad genética.

• Durante el siglo XX, los investigadores aprendieron a aumentar su frecuencia exponiendo semillas o tejidos vegetales a radiación o a determinadas sustancias químicas. Esta estrategia se conoce como mutagénesis inducida.
• La técnica no indica en qué lugar del genoma debe aparecer el cambio. Produce numerosas variaciones y después los mejoradores evalúan muchas plantas para encontrar alguna característica útil.

La mutagénesis se ha aplicado a cereales, leguminosas, frutas, plantas ornamentales y otros cultivos. La base de datos conjunta de la FAO y el OIEA registra miles de variedades obtenidas mediante mutaciones inducidas y liberadas oficialmente en numerosos países.

Lo que cambió en esta etapa

Los mejoradores ya no dependían exclusivamente de las mutaciones que aparecían de manera espontánea. Podían generar diversidad adicional y seleccionar entre ella.

Su reto

Los cambios continuaban apareciendo en lugares no dirigidos. Encontrar una mutación útil podía ser como buscar una aguja en un pajar.

Para intervenir de manera más específica, primero fue necesario comprender la estructura del ADN y aprender a trabajar directamente con él.

El desarrollo de la biología molecular permitió identificar genes, aislarlos y transferir información genética concreta a una planta.

Así surgió la ingeniería genética, base de los cultivos transgénicos. Un transgénico contiene una o más secuencias incorporadas de otro organismo para expresar una característica determinada. Esta posibilidad amplió el conjunto de características disponibles para el mejoramiento.

• Entre las aplicaciones agrícolas se encuentran cultivos capaces de producir proteínas Bt para protegerse de insectos específicos o variedades tolerantes a determinados herbicidas.
• Las semillas desarrolladas mediante ingeniería genética comenzaron a comercializarse en la década de 1990. En Estados Unidos, su introducción comercial en grandes cultivos de campo ocurrió desde mediados de esa década.

El tomate Flavr Savr, autorizado en Estados Unidos en 1994, suele citarse como el primer alimento completo desarrollado mediante ingeniería genética que llegó al mercado en ese país.

Lo que cambió en esta etapa

Los científicos podían trabajar con genes concretos e incorporar características difíciles o imposibles de obtener mediante cruzamientos convencionales.

Su reto

Aunque la ingeniería genética permitía elegir la secuencia que se quería incorporar, los investigadores continuaron buscando herramientas más sencillas para intervenir directamente en sitios específicos del genoma de una planta. Esa búsqueda preparó el camino para la edición genética.

¿Qué es la edición genética?

La edición genética reúne herramientas capaces de localizar una secuencia determinada del ADN y realizar allí un cambio dirigido.

Según el objetivo y la herramienta, es posible:

• Interrumpir la función de un gen
• Eliminar una pequeña sección
• Sustituir una secuencia
• Ajustar la actividad de un gen
• Cambiar una base concreta del ADN

La principal diferencia frente a los métodos anteriores no es que las plantas hayan empezado a cambiar genéticamente —eso ocurre desde antes de la agricultura—, sino el nivel con el que puede definirse el lugar donde se busca producir el cambio.

Antes de CRISPR ya existían sistemas de edición como las nucleasas de dedos de zinc y las TALEN. Sin embargo, su diseño era más complejo. CRISPR simplificó gran parte del proceso y aceleró su adopción en laboratorios de todo el mundo.

CRISPR es una herramienta de edición genética que permite localizar secuencias específicas dentro del ADN y realizar cambios muy precisos. Todo esto trabajando sobre genes que ya existen en el organismo. La tecnología utiliza una proteína —como Cas9— que actúa como una “tijera molecular”, guiada hacia un punto exacto del ADN para realizar el cambio deseado.

CRISPR no tiene un único uso. Puede emplearse para investigar qué hace un gen o para desarrollar características de interés. Por ejemplo, se ha estudiado en cultivos para:

• Mejorar la respuesta a enfermedades
• Ajustar la composición de los alimentos
• Aumentar la tolerancia a sequía, calor o salinidad
• Reducir la acumulación de ciertos compuestos
• Comprender procesos como floración, crecimiento o formación de raíces.

CRISPR no reemplazó al mejoramiento convencional

Puede parecer que una herramienta nueva vuelve innecesarias a las anteriores, pero el mejoramiento moderno no funciona así.

Para editar una característica se necesita primero identificar un gen relevante. Después de obtener la edición, la planta debe evaluarse en laboratorio, invernadero y campo. Además, puede ser necesario cruzarla con otros materiales para combinar la edición con buen rendimiento, calidad y adaptación local.

Los mejoradores siguen utilizando:

• Bancos de germoplasma
• Diversidad de variedades locales y parientes silvestres
• Cruzamientos
• Selección en campo
• Marcadores moleculares
• Análisis genómicos
• Ingeniería genética - edición genética.

CRISPR añade precisión para determinados objetivos, pero continúa formando parte de un proceso de mejoramiento más amplio. 

¿Los seres humanos han cambiado genéticamente las plantas desde el inicio de la agricultura?

Sí. Al seleccionar y reproducir unas plantas en lugar de otras, los agricultores cambiaron progresivamente la frecuencia de características heredables. Lo que ha evolucionado son el conocimiento y las herramientas disponibles.

¿Una planta híbrida es transgénica?

No. Un híbrido se obtiene mediante el cruce de dos progenitores compatibles. Un transgénico se desarrolla mediante ingeniería genética e incorpora una o más secuencias específicas.

¿La mutagénesis es edición genética?

No. La mutagénesis inducida aumenta la aparición de mutaciones en lugares no dirigidos. La edición genética busca actuar sobre una secuencia previamente seleccionada.

¿CRISPR siempre corta el ADN?

La versión clásica con Cas9 suele producir un corte. Otras herramientas derivadas, como algunos editores de bases, pueden realizar cambios sin generar un corte completo de ambas cadenas.

¿CRISPR siempre introduce ADN de otra especie?

No. Puede utilizarse para ajustar un gen propio de la planta sin que quede ADN externo en el producto final. El resultado depende de la estrategia aplicada.

¿Una planta editada llega inmediatamente al mercado?

No. Después de la edición se requieren verificaciones moleculares, regeneración, evaluación de la característica, pruebas agronómicas y el cumplimiento del marco regulatorio correspondiente.

¿El mejoramiento convencional seguirá utilizándose?

Sí. Los cruzamientos, la selección en campo y la evaluación agronómica siguen siendo indispensables. CRISPR es una herramienta adicional dentro del mejoramiento vegetal.

De una semilla guardada a un gen editado

CRISPR no apareció de la nada. Fue posible gracias a miles de años de selección agrícola y a siglos de descubrimientos sobre herencia, ADN, mutaciones y funcionamiento de los genes.

Cada herramienta resolvió problemas que la anterior no podía abordar, pero ninguna hizo desaparecer por completo a las demás. Los programas modernos combinan conocimiento tradicional, diversidad genética, evaluación en campo y tecnologías moleculares.

La historia del mejoramiento vegetal no es solamente la historia de cómo cambiaron las plantas. También es la historia de cómo aprendimos a comprenderlas cada vez mejor.