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Innovaciones en el fitomejoramiento

A lo largo de milenios, la selección natural y los seres humanos han adaptado sistemáticamente las especies vegetales que proporcionan alimentos y otros productos vitales, cambiando su composición física y genética para mejorar la productividad, la nutrición y la resiliencia. Los fitomejoradores aplican la ciencia para seguir mejorando las variedades de cultivos, haciéndolas más productivas y mejor adaptadas a los climas extremos, los insectos, la sequía y las enfermedades.

¬ŅQu√© es el fitomejoramiento?

Surgido en los √ļltimos 120 a√Īos, el fitomejoramiento basado en la ciencia comienza por crear una nueva diversidad a partir de la cual se pueden identificar o formar nuevas variedades √ļtiles. El enfoque m√°s com√ļn consiste en realizar cruces dirigidos entre progenitores con rasgos complementarios y deseables. Despu√©s, se realiza una selecci√≥n entre las plantas resultantes para obtener tipos mejorados que combinen los rasgos y el rendimiento deseados. Un enfoque menos com√ļn consiste en exponer los tejidos de las plantas a sustancias qu√≠micas o a radiaciones que estimulan mutaciones aleatorias del tipo que se producen en la naturaleza, creando diversidad e impulsando la selecci√≥n natural y la evoluci√≥n.

Determinados por los agricultores y los mercados de consumo, los rasgos objetivo del fitomejoramiento pueden incluir la mejora del rendimiento de los granos y los frutos, la resistencia a las principales enfermedades y plagas, la mejora de la calidad nutricional, la facilidad de procesamiento y la tolerancia a estreses ambientales como la sequía, el calor, los suelos ácidos, los campos inundados y los suelos infértiles. La mayoría de los rasgos son genéticamente complejos, es decir, están controlados por muchos genes e interacciones génicas, por lo que los mejoradores deben cruzar y seleccionar entre cientos de miles de plantas a lo largo de generaciones para desarrollar y elegir las mejores.

El fitomejoramiento en los √ļltimos 100 a√Īos ha fomentado la seguridad alimentaria y nutricional de poblaciones en expansi√≥n, ha adaptado los cultivos a los cambios clim√°ticos y ha contribuido a aliviar la pobreza. Junto con mejores pr√°cticas agr√≠colas, las variedades de cultivos mejoradas pueden ayudar a reducir la degradaci√≥n del medio ambiente y a mitigar el cambio clim√°tico derivado de la agricultura.

¬ŅEl fitomejoramiento es una t√©cnica moderna?

El fitomejoramiento comenz√≥ hace unos 10.000 a√Īos, cuando los humanos emprendieron la domesticaci√≥n de especies ancestrales de cultivos alimentarios. Durante los milenios siguientes, los agricultores seleccionaron y volvieron a sembrar semillas de los mejores granos, frutos o plantas que cosecharon, modificando gen√©ticamente las especies para su uso humano.

El mejoramiento moderno, basado en la ciencia, es una versi√≥n centrada, sistem√°tica y m√°s r√°pida de ese proceso. Se ha aplicado a todos los cultivos, entre ellos el ma√≠z, el trigo, el arroz, las papas, los frijoles, la yuca y los cultivos hort√≠colas, as√≠ como a los √°rboles frutales, la ca√Īa de az√ļcar, la palma aceitera, el algod√≥n, los animales de granja y otras especies.

Con el fitomejoramiento moderno, los especialistas empezaron a recopilar y preservar la diversidad de los cultivos, incluidas las variedades aut√≥ctonas seleccionadas por los agricultores, las variedades mejoradas y los parientes no domesticados de los cultivos. En la actualidad, cientos de miles de muestras √ļnicas de diversos tipos de cultivos, en forma de semillas y esquejes, se conservan meticulosamente como cat√°logos vivos en docenas de “bancos” administrados p√ļblicamente.

El Centro Internacional de Mejoramiento de Ma√≠z y Trigo (CIMMYT) gestiona un banco de germoplasma que contiene m√°s de 180.000 muestras √ļnicas de semillas relacionadas con el ma√≠z y el trigo, y la B√≥veda Global de Semillas de Svalbard, en la isla Spitsbergen en Noruega, conserva copias de seguridad de casi un mill√≥n de colecciones del CIMMYT y otros bancos.

Mediante an√°lisis gen√©ticos o el cultivo de muestras de semillas, los cient√≠ficos rastrean estas colecciones para encontrar rasgos √ļtiles. Los datos y las muestras de semillas de este tipo de iniciativas financiadas con fondos p√ļblicos se comparten entre los fitomejoradores y otros investigadores de todo el mundo. Las secuencias completas de ADN de varios cultivos alimentarios, como el arroz, el ma√≠z y el trigo, est√°n disponibles y ayudan mucho a los cient√≠ficos a identificar diversidad novedosa y √ļtil.

Gran parte de la mejora de los cultivos es internacional. A partir de sus propios programas de mejoramiento, el CIMMYT env√≠a cada a√Īo medio mill√≥n de paquetes de semillas a unos 800 socios, entre los que se encuentran instituciones p√ļblicas de investigaci√≥n y empresas privadas de 100 pa√≠ses, para el mejoramiento, los an√°lisis gen√©ticos y otras investigaciones.

Un trabajador del campo retira la flor masculina de una espiga de trigo, como parte de la polinización controlada en el mejoramiento. (Foto: Alfonso Cortés/CIMMYT)
Un trabajador del campo retira la flor masculina de una espiga de trigo, como parte de la polinización controlada en el mejoramiento. (Foto: Alfonso Cortés/CIMMYT)

Un siglo de innovaciones de mejoramiento genético

A principios del siglo XX, los fitomejoradores empezaron a aplicar los descubrimientos de Gregor Mendel, matem√°tico y bi√≥logo del siglo XIX, sobre la variaci√≥n gen√©tica y la herencia. Tambi√©n empezaron a aprovechar la heterosis, com√ļnmente conocida como vigor h√≠brido, por la que la progenie de los cruces entre l√≠neas gen√©ticamente diferentes resultar√° m√°s fuerte o productiva que sus parentales.

Los métodos estadísticos modernos para analizar los datos experimentales han ayudado a los fitomejoradores a comprender las diferencias en el rendimiento del mejoramiento; en particular, a distinguir la variación genética, que es heredable, de las influencias ambientales en la forma en que se expresan los rasgos parentales en las sucesivas generaciones de plantas.

Desde la d√©cada de 1990, los genetistas y fitomejoradores han utilizado marcadores moleculares (basados en el ADN). Se trata de regiones espec√≠ficas del genoma vegetal que est√°n vinculadas a un gen que influye en un rasgo deseado. Los marcadores tambi√©n pueden utilizarse para obtener una “huella” de ADN de una variedad, para desarrollar mapas gen√©ticos detallados y para secuenciar los genomas de las plantas de cultivo. Muchas aplicaciones de los marcadores moleculares se utilizan en el fitomejoramiento para seleccionar las progenies de los cruces de mejora que presentan el mayor n√ļmero de rasgos deseados de sus parentales.

Los fitomejoradores normalmente prefieren trabajar con poblaciones “de √©lite” que ya han sido objeto de mejora y, por tanto, presentan altas concentraciones de genes √ļtiles y menos indeseables, pero los cient√≠ficos tambi√©n introducen diversidad no de √©lite en las poblaciones de mejora para aumentar su resistencia y hacer frente a amenazas como nuevos hongos o virus que atacan a los cultivos.

Los transg√©nicos son productos de una tecnolog√≠a de ingenier√≠a gen√©tica, en la que se inserta un gen de una especie en otra. Una gran ventaja de esta tecnolog√≠a para la mejora de los cultivos es que introduce √ļnicamente el gen deseado, a diferencia de los cruces convencionales, en los que muchos genes no deseados acompa√Īan al gen objetivo y pueden reducir el rendimiento u otros rasgos valiosos. Los transg√©nicos se utilizan desde los a√Īos 90 para implantar rasgos como la resistencia a las plagas, la tolerancia a los herbicidas o la mejora del valor nutricional. Las variedades de cultivos transg√©nicos se cultivan en m√°s de 190 millones de hect√°reas en todo el mundo y han aumentado las cosechas, incrementado los ingresos de los agricultores y reducido el uso de pesticidas. Los complejos requisitos normativos para gestionar sus posibles riesgos para la salud o el medio ambiente, as√≠ como la preocupaci√≥n de los consumidores por dichos riesgos y el reparto equitativo de los beneficios, hacen que las variedades de cultivos transg√©nicos sean dif√≠ciles y caras de implantar.

Las t√©cnicas de edici√≥n del genoma o de genes permiten modificar con precisi√≥n secuencias espec√≠ficas de ADN, lo que hace posible aumentar, disminuir o desactivar la expresi√≥n de los genes y convertirlos en versiones m√°s favorables. La edici√≥n de genes se utiliza principalmente para producir plantas no transg√©nicas, como las que surgen por mutaciones naturales. Este m√©todo puede utilizarse para mejorar los rasgos de las plantas controlados por un solo gen o por un peque√Īo n√ļmero de ellos, como la resistencia a las enfermedades y la mejora de la calidad del grano o la nutrici√≥n. En muchos pa√≠ses a√ļn se est√° definiendo si se deben regular los cultivos editados por genes y c√≥mo hacerlo.

La tienda móvil de semillas de Victoria Seeds Company facilita el acceso a variedades mejoradas de maíz a los agricultores de aldeas remotas de Uganda. (Foto: Kipenz Films for CIMMYT)
La tienda móvil de semillas de Victoria Seeds Company facilita el acceso a variedades mejoradas de maíz a los agricultores de aldeas remotas de Uganda. (Foto: Kipenz Films for CIMMYT)

Algunos efectos del mejoramiento del maíz y el trigo

A principios de la d√©cada de 1990, una metodolog√≠a del CIMMYT dio lugar a variedades de ma√≠z mejoradas que toleran condiciones de sequ√≠a moderada en torno a la floraci√≥n en entornos tropicales de secano, adem√°s de presentar otros valiosos rasgos agron√≥micos y de resiliencia. En 2015, casi la mitad de la superficie productora de ma√≠z en 18 pa√≠ses del √Āfrica subsahariana ‚ÄĒuna regi√≥n en la que el cultivo proporciona casi un tercio de las calor√≠as humanas, pero en la que el 65% de las tierras de ma√≠z se enfrentan a sequ√≠as al menos ocasionales‚ÄĒ se sembr√≥ con variedades procedentes de esta investigaci√≥n de mejora, en colaboraci√≥n con el Instituto Internacional de Agricultura Tropical (IITA, en ingl√©s). Los beneficios anuales se estiman en 1.000 millones de d√≥lares.

El mejoramiento intensivo para la resistencia a la necrosis letal del ma√≠z (MLN), una enfermedad viral que apareci√≥ en √Āfrica oriental en 2011 y se extendi√≥ r√°pidamente para atacar los cultivos de ma√≠z en todo el continente, permiti√≥ la liberaci√≥n en 2017 de 18 h√≠bridos de ma√≠z resistentes a la MLN.

Las variedades mejoradas de trigo desarrolladas con l√≠neas de mejora del CIMMYT o del Centro Internacional de Investigaci√≥n Agr√≠cola en Zonas √Āridas (ICARDA, en ingl√©s) cubren m√°s de 100 millones de hect√°reas, casi dos tercios de la superficie sembrada con trigo mejorado en todo el mundo, con unos beneficios en grano a√Īadido que oscilan entre 2.800 y 3.800 millones de d√≥lares cada a√Īo.

La mejora de la resistencia a las devastadoras enfermedades y plagas de los cultivos ha ahorrado miles de millones de d√≥lares en p√©rdidas de cosechas y ha reducido el uso de plaguicidas costosos y potencialmente da√Īinos. Un estudio de 2004 demostr√≥ que las inversiones realizadas desde principios de la d√©cada de 1970 en la mejora de la resistencia del trigo a la enfermedad f√ļngica de la roya de la hoja hab√≠an proporcionado beneficios en grano a√Īadido por valor de 5.360 millones de d√≥lares estadounidenses de 1990. La investigaci√≥n mundial para controlar la enfermedad de la roya del tallo del trigo ahorra a los productores de trigo el equivalente de al menos 1.120 millones de d√≥lares cada a√Īo.

Los cruces de trigo con cultivos afines (centeno) o incluso con hierbas silvestres ‚ÄĒestos √ļltimos conocidos como cruces amplios‚ÄĒ han mejorado mucho la resistencia y la productividad del trigo. Por ejemplo, se calcula que una quinta parte de las l√≠neas de mejora de trigo de √©lite en los ensayos internacionales de rendimiento del CIMMYT presentan genes de Aegilops tauschii, que aumentan su resistencia y proporcionan otros rasgos valiosos para proteger el rendimiento.

La biofortificaci√≥n, es decir, el desarrollo de cultivos enriquecidos desde el punto de vista nutricional, ha dado lugar a m√°s de 60 variedades de ma√≠z y trigo cuyo grano ofrece una mejor calidad de prote√≠nas o niveles m√°s altos de micronutrientes como el zinc y la provitamina A. Las variedades de ma√≠z y trigo biofortificadas han beneficiado a las familias de peque√Īos agricultores y a los consumidores de m√°s de 20 pa√≠ses del √Āfrica subsahariana, Asia y Am√©rica Latina. Se ha demostrado que el consumo de ma√≠z o camote enriquecidos con provitamina A reduce las deficiencias cr√≥nicas de vitamina A en los ni√Īos de √Āfrica oriental y meridional. En India, los agricultores han cultivado una variedad de sorgo de alto rendimiento con niveles mejorados de hierro y zinc en el grano desde 2018 y el uso de mijo perla biofortificado con hierro ha mejorado la nutrici√≥n entre las comunidades vulnerables.

Las innovaciones en la medición de las respuestas de las plantas incluyen sistemas de teledetección, como cámaras multiespectrales y térmicas que vuelan sobre los campos de cultivo. En esta imagen de la estación experimental del CIMMYT en Obregón, México, las parcelas con estrés hídrico aparecen en verde y rojo. (Foto: CIMMYT y el Instituto de Agricultura Sostenible)
Las innovaciones en la medición de las respuestas de las plantas incluyen sistemas de teledetección, como cámaras multiespectrales y térmicas que vuelan sobre los campos de cultivo. En esta imagen de la estación experimental del CIMMYT en Obregón, México, las parcelas con estrés hídrico aparecen en verde y rojo. (Foto: CIMMYT y el Instituto de Agricultura Sostenible)

El futuro

Los mejoradores de cultivos han sentado las bases para llevar a cabo la selección genómica. Este enfoque aprovecha los marcadores moleculares de bajo costo que abarcan todo el genoma para analizar grandes poblaciones y permitir a los científicos predecir el valor de determinadas líneas de mejoramiento y cruces para acelerar las ganancias, especialmente para mejorar los rasgos genéticamente complejos.

El mejoramiento acelerado utiliza la duraci√≥n del d√≠a prolongada artificialmente, las temperaturas controladas, la selecci√≥n gen√≥mica, la ciencia de los datos, las herramientas de inteligencia artificial y la tecnolog√≠a avanzada para registrar la informaci√≥n de las plantas ‚ÄĒtambi√©n llamada fenotipificaci√≥n‚ÄĒ para hacer el mejoramiento m√°s r√°pido y eficiente. Una instalaci√≥n de mejoramiento acelerado del trigo del CIMMYT cuenta con un invernadero con iluminaci√≥n especializada, temperaturas controladas y otros elementos especiales que permitir√°n cultivar cuatro ciclos ‚ÄĒo generaciones‚ÄĒ al a√Īo, en lugar de s√≥lo dos ciclos con los ensayos de campo normales. Las instalaciones de mejoramiento acelerado apresuran el desarrollo de variedades productivas y robustas por parte de los programas de investigaci√≥n de cultivos en todo el mundo.

An√°lisis y gesti√≥n de datos: El cultivo y la evaluaci√≥n de cientos de miles de plantas en diversos ensayos a trav√©s de m√ļltiples sitios cada temporada genera enormes vol√ļmenes de datos que los mejoradores deben examinar, integrar y analizar para informar las decisiones, especialmente sobre qu√© l√≠neas cruzar y qu√© poblaciones descartar o avanzar. Las nuevas herramientas inform√°ticas, como el Enterprise Breeding System, ayudar√°n a los cient√≠ficos a gestionar, analizar y aplicar los grandes datos procedentes de los estudios gen√≥micos, de campo y de laboratorio.

Seguir a los l√≠deres: Impulsadas por la competencia y la b√ļsqueda de beneficios, las empresas privadas que comercializan semillas y otros productos agr√≠colas suelen estar a la vanguardia de las innovaciones en materia de mejora gen√©tica. La iniciativa Excelencia en el Mejoramiento (EiB, en ingl√©s) del CGIAR est√° ayudando a los programas de mejoramiento que atienden a los agricultores de los pa√≠ses de ingresos bajos y medios a adoptar las mejores pr√°cticas adecuadas de las empresas privadas, incluidos los enfoques basados en marcadores moleculares, la mecanizaci√≥n estrat√©gica, la digitalizaci√≥n y el uso de grandes datos para impulsar la toma de decisiones. El fitomejoramiento moderno comienza por garantizar que las nuevas variedades producidas se ajusten a lo que los agricultores y los consumidores quieren y necesitan.

Foto de portada: Estaci√≥n experimental del CIMMYT en Toluca, M√©xico. Situada en un valle a 2.630 metros sobre el nivel del mar, con un clima fresco y h√ļmedo, es el lugar ideal para seleccionar materiales de trigo resistentes a enfermedades foliares, como la roya del trigo. El fitomejoramiento convencional implica la selecci√≥n entre cientos de miles de plantas procedentes de cruces a lo largo de muchas generaciones, y requiere amplias y costosas instalaciones de campo, de selecci√≥n y de laboratorio. (Foto: Alfonso Cort√©s/CIMMYT)