Fuera de las ecologías de zonas templadas, 15% del cultivo mundial de maíz (19 millones de toneladas) se pierden cada año a causa de la sequía. (Esta pérdida equivale casi al total de la producción anual de maíz en México, uno de los más grandes productores de este cereal en el mundo en desarrollo). Se han generado cereales tolerantes a la sequía mediante el fitomejoramiento tradicional, pero el progreso suele ser lento.

“Podríamos avanzar más rápido si conociéramos más aspectos fisiológicos y genéticos fundamentales de la forma en que las plantas responden a la sequía”, dice el genetista molecular del CIMMYT y fitofisiólogo Jean-Marcel Ribaut. Hace 10 años, Ribaut inició la investigación sobre la tolerancia a la sequía en la etapa de floración del desarrollo del maíz, un período crítico que puede definir el fracaso del cultivo o una buena cosecha. Desde entonces, ha adquirido gran importancia el esfuerzo por descubrir los secretos de la tolerancia a la sequía. Gracias a un equipo de científicos y la reciente colaboración con Pioneer Hi-Bred International y la Universidad de Cornell, existe ahora un conocimiento más cabal de cómo las plantas reaccionan a la sequía.

Hacer un mosaico
del genoma

Al llegar Ribaut al CIMMYT en 1993, comenzó a generar poblaciones segregantes de maíz tolerantes a la sequía. Las poblaciones segregantes son un instrumento para conocer la base genética de una característica. Se efectúa el cruzamiento de una línea resistente o tolerante de maíz con otra sensible para obtener una característica particular, creando lo que Ribaut llama “un mosaico del genoma”. En esta etapa, integrando el examen fenotípico (una evaluación de las características físicas de la planta que indica cómo responde ésta al medio ambiente) con el análisis molecular (una evaluación de la composición genética de la planta), los científicos pueden comenzar a identificar los genes y/o regiones genéticas (loci de caracteres cuantitativos, QTL) que contribuyen a los mecanismos de tolerancia a la sequía.

En los primeros años, los investigadores identificaron QTL vinculados con componentes del rendimiento y características morfológicas secundarias de interés, como características de la floración o la senescencia. Esta información es un recurso muy eficaz, pero tiene limitaciones. “Es grandioso caracterizar todos esos QTL”, continúa Ribaut, “pero en realidad nos interesaba lo que sucedía por debajo de este nivel —en términos de mecanismos fisiológicos y expresión génica— para descubrir las vías fundamentales que intervienen en la respuesta a la sequía.”

Surge una visión de conjunto

El fitofisiólogo Tim Setter, de la Universidad de Cornell, había generado técnicas para investigar exactamente esos aspectos de la respuesta del maíz a la sequía y Ribaut comenzó a trabajar con él para identificar esas vías en las poblaciones segregantes. Setter tenía interés en el germoplasma del CIMMYT porque estaba bien caracterizado a nivel morfológico y genético y esta información se complementaba con una gran base de datos sobre QTL. Desde 2001, se ha intensificado la colaboración. Setter ha proporcionado valiosos datos acerca de las concentraciones de hormonas del crecimiento en las plantas, azúcares y el osmolito prolina en el material segregante de Ribaut, y llegó a generar casi 20,000 mediciones en el 2002. Las modificaciones de la concentración de esos componentes en órganos específicos son indicadores de la actividad metabólica y dan una idea de por qué una determinada planta tiene mejor rendimiento que otra cuando escasea el agua.

“Ya teníamos los QTL relacionados con el rendimiento de grano y características de interés y, con el aporte de Tim Setter, identificamos QTL para vías fisiológicas fundamentales relacionadas con la respuesta a la sequía”, reflexiona Ribaut. “El vínculo faltante estaba entonces a nivel de la expresión génica”. La expresión génica diferencial observada en plantas que reaccionan de manera diferente a la sequía hace posible identificar cuáles genes en particular, entre los 40,000 presentes en el genoma del maíz, desempeñan una función en la regulación de la tolerancia a la sequía.

El equipo de Ribaut quería buscar ese vínculo faltante mediante la genómica funcional. Tuvieron la suerte de encontrarse con Chris Zimselmeier y Jeff Habben, expertos en genómica funcional del maíz en Pioneer Hi-Bred International. Ribaut los conoció en un taller sobre enfoques moleculares de la tolerancia a la sequía patrocinado por la Fundación Rockefeller, que se celebró en el CIMMYT en 1999. Pronto los equipos de Pioneer y el CIMMYT iniciaron actividades conjuntas para utilizar microdispositivos (un instrumento genómico) que les permitieran identificar genes esenciales con expresión diferencial en condiciones de escasez de agua.

El trabajo de Ribaut recibió un gran impulso en 2001 cuando la Fundación Rockefeller patrocinó un proyecto del CIMMYT encaminado a establecer métodos integrados e innovadores para obtener tolerancia a la sequía en el maíz, que se extendió por otros dos años en 2003. “Hemos sido increíblemente afortunados porque toda esta tecnología nueva, los colaboradores y el patrocinio de la Fundación llegaron precisamente cuando los necesitábamos”, dice Ribaut. “En el último decenio hemos tratado de armar un cuadro de la tolerancia a la sequía como si fuera un rompecabezas”. Ribaut da créditos a sus compañeros de laboratorio María de la Luz Gutiérrez y Mark Sawkins, así como a la fisióloga de maíz del CIMMYT Marianne Bänziger, quien desempeñó un papel esencial al seleccionar germoplasma con distintas respuestas a la sequía y evaluar poblaciones segregantes en condiciones de sequía en Zimbabwe. “Gracias a un esfuerzo en equipo, comenzamos a ver el panorama más amplio”, dice.

Una visión más amplia

Este panorama reúne tres componentes importantes para comprender la tolerancia a la sequía —la expresión génica, las vías metabólicas y la morfología de la planta— y revela sus relaciones recíprocas. Por ejemplo, combinando información de la genómica funcional, datos sobre las concentraciones de azúcar y análisis de los QTL, se han identificado las regiones genómicas importantes que intervienen en la regulación de la glucosa (véase la figura). “Gracias a las asociaciones establecidas, tenemos esos tres componentes a nuestra disposición y esto nos coloca en una posición única para llenar la laguna existente entre los cambios en la expresión génica y el fenotipo de la planta”, observa Ribaut.

Con base en este conocimiento, los científicos tienen grandes esperanzas de acelerar el desarrollo de maíz resistente a la sequía en tres formas: elaborando un mapa general de sequía, que indique las regiones genómicas fundamentales relacionadas con la tolerancia a la sequía y utilice esta información en la selección con ayuda de marcadores; identificando alelos elite en los genes en cuestión, cuya presencia servirá como factor de predicción para los fitomejoradores; y usando la ingeniería genética para modificar genes o vías específicos.

“Al adoptar un enfoque multidisciplinario con buenos colaboradores, hemos obtenido una visión más amplia del problema”, concluye Ribaut. “Lo mejor de todo es que todavía habrá más. Los beneficios de esta investigación podrían extenderse a otros cereales, como el trigo, ya que algunos genes reguladores que intervienen en la tolerancia a la sequía podrían ser comunes a los distintos genomas.”

	Para más información:
	j.ribaut@cgiar.org

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