La evolución del mejoramiento genético

En la tercera clase de la Diplomatura de Alfalfas de Calidad, el mejoramiento genético de alfalfas utilizando técnicas convencionales, genómicas y biotecnológicas, fue el tema abordado por el especialista Dr. Esteban Rios, mejorador genético profesor asociado, director del programa de posgrado en mejoramiento genético de plantas del dpto de agronomía de la Universidad de Florida (EE.UU)

En la intensa ponencia, que duró una hora y media, dejó en claro que “el mejoramiento genético de la alfalfa está evolucionando rápidamente, integrando métodos tradicionales con tecnologías de vanguardia como la genómica, la fenómica y la biotecnología”. 

Cabe destacar que estas herramientas buscan acelerar la ganancia genética, mejorar la eficiencia del proceso de selección y desarrollar variedades más resilientes y productivas para satisfacer necesidades y los desafíos ambientales futuros.

A lo largo de la clase, sintetizó conceptos claves y avances enfocando en estrategias para optimizar la ganancia genética.

Para empezar, definió al “mejoramiento genético, o fitomejoramiento” como «el mejoramiento genético de las plantas para beneficio humano». Su proceso fundamental implica la generación, evaluación, selección y recombinación de germoplasma en ciclos recurrentes para lograr una «ganancia genética a lo largo del tiempo.» 

A su vez, desarrolló los componentes claves de la ganancia genética:

• Heredabilidad (h²): Es la proporción de la variación fenotípica de un rasgo que se debe a la genética. Una heredabilidad alta (ej., 0.6) indica que la genética tiene una gran influencia en la variación observada, lo que resulta en una mayor ganancia genética. Por el contrario, una heredabilidad baja (ej., 0.1) sugiere una influencia ambiental y de manejo significativa.
• Intensidad de selección (i): Se refiere a la proporción de individuos seleccionados de una población. Una mayor intensidad de selección puede conducir a una mayor ganancia genética, pero también puede reducir la diversidad genética.
• Variabilidad fenotípica en la población (σ²p): La existencia de diversidad dentro de la población es fundamental para la selección.
• Intervalo generacional (L): El tiempo necesario para completar un ciclo de selección. Reducirlo puede acelerar la ganancia genética.

En lo que respecta a métodos de mejoramiento, distinguió entre métodos de mejoramiento interpoblacionales (formación de poblaciones, variedades sintéticas, retrocruzamientos, cruzamientos complementarios de cultivares, híbridos) e intrapoblacionales (selección de plantas individuales – masal/fenotípica recurrente, evaluación clonal, pruebas de progenie; y selección de familias – medio-hermanos, hermanos completos, selección dentro de familias, selección combinada).

Para maximizar la ganancia genética con los recursos disponibles, es crucial:

• La elección del germoplasma y el tamaño poblacional.
• La intensidad de selección y el diseño experimental.

Objetivos del Programa de Mejoramiento en Florida

El programa de mejoramiento de alfalfa en Florida se ha centrado históricamente en el desarrollo de cultivares sin dormancia, adaptados a las condiciones ambientales locales. Ejemplos de cultivares desarrollados en la Universidad de Florida incluyen Florida66 (adaptación a temperatura, humedad, fotoperiodo), Florida77 (áfidos y rendimiento), y Florida99 (phytophtora, antracnosis, áfidos de alfalfa). A pesar de que el programa cerró en los años 90, los caracteres de importancia para el mejoramiento incluyen:

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• Rendimiento de materia seca y persistencia.
• Valor nutricional.
• Estrés bióticos (ej. enfermedades, plagas).
• Estrés abióticos (ej. sequía, calor).

La alfalfa (Medicago sativa L.) es una especie autotetraploide (2n = 4x = 32), lo que presenta desafíos particulares para el mejoramiento debido a su complejidad genética.

Fenotipado con Sensores Multi-espectrales

El fenotipado con sensores multi-espectrales representa una herramienta innovadora para el mejoramiento genético, permitiendo una «capacidad de estimar rendimiento en parcelas pequeñas» y la «posibilidad de reducir la toma de datos a campo». La modelización de la variabilidad espacial mediante estos sensores incrementa la heredabilidad (H²).

Investigaciones han demostrado que «NDVI capturó variabilidad genética similar a datos de campo» (Biswas et al., 2021). 

Esto sugiere un potencial significativo para:

• «Reducir 70% la mano de obra, sin perjudicar la ganancia genética.»
• «Posibilidad de aumentar el tamaño de la población de mejoramiento e intensidad de selección, con lo cual resultaría en mayor ganancia genética.» (Necesita pruebas adicionales).
• La necesidad de incorporar modelos estadísticos avanzados para caracteres complejos.

Genómica y Selección Genómica

La genómica juega un papel central en el mejoramiento moderno. 

Genoma de referencia: Es una «secuencia de ADN completa y ordenada que representa, lo más fielmente posible, el conjunto de genes y regiones intergénicas de una especie.» 

Es fundamental como «mapa maestro» para:

• Facilitar la detección de variantes genéticas.
• Identificar genes y elementos reguladores.
• Acelerar la investigación y el mejoramiento (localizar genes de interés, desarrollar marcadores moleculares, edición génica).
• Integrar datos ómicos y promover la colaboración.

En alfalfa, el genoma de referencia es «particularmente importante porque esta especie presenta varios desafíos biológicos y agronómicos» debido a su naturaleza autotetraploide y altamente heterocigota, lo que complica la secuenciación y la interpretación. Permite «diferenciar cromosomas homólogos y mapear con precisión las variantes genéticas.»

Marcadores moleculares: Son «una secuencia específica de ADN que actúa como una “señal” para identificar una región del genoma.» Son útiles porque «están en el ADN, por lo que no cambia con el ambiente» y «se heredan de manera predecible.» Los SNPs (polimorfismo de un solo nucleótido) son un tipo común de marcador.

Usos de marcadores moleculares en mejoramiento vegetal:

Por otra parte, al abordar la selección fenómica con Sensores Hiperespectrales y NIRS, explicó que la selección fenómica utiliza «endofenotipos [que] capturan los genotipos expresados y las complejas redes reguladoras que ocurren en las diferentes capas entre el genoma y el fenotipo» 

• Espectroscopía de infrarrojo cercano (NIRS): Se utiliza para estimar la calidad nutricional (proteína, fibra, digestibilidad) de manera rápida y eficiente. 
• Sensores hiperespectrales: Permiten capturar información detallada del espectro de luz reflejada por las plantas. La selección fenómica «está altamente influenciada por el manejo y ambiente». Existe la posibilidad de «entrenar el modelo sin aleatorizar el muestreo, optimizando las tareas a campo.»

En lo que respecta al análisis multi-ómico implica «integrar información de diferentes niveles biológicos para obtener una visión más completa de cómo los genes influyen en los rasgos de interés y cómo responden al ambiente». 

La premisa es que «ninguna “-ómica” por sí sola da toda la historia, pero juntas permiten conectar genotipo → mecanismos → fenotipo.»

La combinación de datos genómicos y ambientómicos (datos ambientales) busca mejorar la capacidad predictiva para rasgos complejos como el rendimiento y la persistencia (Fernandes et al., 2023). Esto es crucial para «definir los ambientes objetivo para el mejoramiento de alfalfa.»

Sobre el cierre, explicó la Biotecnología Aplicada al Desarrollo de Variedades de Alfalfa y manifestó que las herramientas biotecnológicas complementan el mejoramiento convencional, «reduciendo el tiempo de obtención de nuevos cultivares y aumentando la ganancia genética».

• Transgénesis: Permite «introducir genes de otras especies en materiales elite, incorporando caracteres naturalmente inexistentes en las especies de interés».

Roundup Ready Alfalfa (RRA): Resistencia al herbicida glifosato, comercializada en EE. UU. desde 2005.

HARVXTRA: Menor contenido de lignina mediante silenciamiento génico, mejorando la calidad nutricional.

En Argentina, se ha generado alfalfa transgénica tolerante a glufosinato de amonio (Jozefkowicz et al., 2018) en proceso de desregulación.

• Edición Génica (CRISPR, TALEN): Permite la «generación de mutaciones puntuales y dirigidas a un lugar específico del genoma.» Esto «permite silenciar genes determinados que modifican la expresión de algunos caracteres que se quieren disminuir, como por ejemplo el contenido de lignina.»

• Ventajas clave: «se conoce la ubicación del gen modificado»; «después de un ciclo de cruzamiento se elimina la maquinaria de edición»; y «sus productos no se regularían como un organismo transgénico, lo que evitaría el largo y costoso proceso de desregularización.»

1. Diferencias con transgénesis: La edición génica implica «alteraciones precisas del ADN propio (secuencias ya existentes), sin adición externa,» y no suele estar sujeta a la misma regulación que los GMO.
   
   fuente: todoalfalfa