Genética e Melhoramento vegetal - Genética e Mejora Vegetal

Genética e Melhoramento vegetal - Genética e Mejora Vegetal

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I.1 Introducción

En este capítulo se aborda la definición de la Mejora Vegetal, se establecen sus objetivos y se determina el objeto sobre el que actúa. De acuerdo con estas premisas se describen sus actividades propias, su evolución y perspectivas, así como las materias que le sirven de base.

I.2 Definición de la Mejora Vegetal

La Mejora genética vegetal se puede definir como "la ciencia cuyo objetivo es cambiar el genotipo, mejorándolo para un determinado medio y según el aprovechamiento para el que se vaya a destinar de acuerdo con las necesidades del hombre" (Frankel, 1958).

Smith (1986), la define como "El arte y la ciencia de mejorar el genotipo de las plantas en relación con su utilización económica".

Johnson (1981) la define de forma similar pero más concreta como "la utilización de un sistema organizado de manipulación genética para modificar una especie vegetal, con el fin de hacerla más útil o aceptable para un uso específico".

La mejora genética vegetal es esencialmente una elección hecha por el hombre de las mejores plantas escogidas dentro de una población en la cual exista variabilidad. En otras palabras es una selección, posible gracias a la existencia de variabilidad (Sanchez Monge, 1993).

A partir de todas estas definiciones, estamos en condiciones de establecer las tres premisas más importantes para el planteamiento de cualquier programa de mejora genética vegetal:

1−La existencia de variabilidad o bien la capacidad para crearla se convierte de esta forma en el primer requisito de todo programa de mejora.

2−La capacidad de detectar dicha variabilidad, o lo que es lo mismo, la habilidad del mejorador para observar las diferencias, que puedan tener valor económico entre plantas de la misma especie y/o la existencia de técnicas capaces de medirlas.

3−La capacidad para manipular dicha variación para producir un nuevo cultivar estable. I.3. La evolución de la mejora genética vegetal

Se puede decir que la mejora genética vegetal comenzó con el inicio de la agricultura sedentaria y la domesticación de los primeros cultivos. Los primeros cultivos domesticados fueron los cereales, y en ellos se observa ya en los primeros tiempos una rápida eliminación de características indeseables como la dehiscencia o la latencia de sus semillas. Es lógico asumir que la necesidad de recolectar los frutos, semillas y raíces para la alimentación humana, debió de ir acompañada de un aumento en el conocimiento de la biología de las plantas sobre todo de aquellas características relacionadas con el potencial alimentario del cultivo.

Esta hipótesis esta corroborada por evidencias arqueológicas y así se observa en un bajo relieve Asirio que data del siglo IX a. de C. que muestra la polinización de una palmera.

Sin embargo, el gran despegue de la mejora genética vegetal, se ha producido durante el presente siglo, como consecuencia lógica del desarrollo espectacular que se ha producido en el campo de la genética.

Hasta el primer decenio de este siglo la mejora genética vegetal estaba en manos de "expertos" que en muchos casos fueron incapaces de conseguir grandes progresos debido a la falta de conocimientos científicos, siendo más bien la mejora genética vegetal un "arte" basado en la pericia del mejorador que una ciencia.

Uno de los eventos, quizá y con seguridad el de mayor trascendencia, fue el redescubrimiento de las trabajos de Mendel (1865) por Tschremak, Correus y Vries, entorno a (1900) en los que se determinaron las leyes de la herencia. Estos autores ya indicaron la importancia de los mismos para el desarrollo de la genética como disciplina independiente, así como para la mejora de los organismos sobre la base de sus principios.

Para entonces, ya se conocían los rasgos generales de los procesos de mitosis y meiosis. En 1902, Sutton Y Boveri, por separado cayeron en la cuenta de que el comportamiento de los caracteres de Mendel durante la producción de gametos tiene un paralelo preciso con la conducta de los cromosomas en la meiosis. La teoría cromosómica de la herencia estableció una conexión entre el concepto abstracto del factor mendeliano y el cromosoma.

El primer rasgo atribuido a un cromosoma fue el sexo: Stevens y Wilson descubrieron en 1905, los llamados cromosomas sexuales. Era natural suponer que todos los genes y no sólo los responsables del sexo estuvieran en los cromosomas.

La primera confirmación vino pronto, con las experiencias con moscas del vinagre, Drosophyla, realizados en el laboratorio de Morgan entre 1910 y 1915. Los primeros experimentos situaron en el cromosoma X una mutación que causaba ojos blancos en vez de rojos. En los años siguientes se localizaron otras muchas mutaciones en cromosomas no sexuales.

Si bien esta primera etapa del desarrollo de la Genética, como ciencia, estuvo llena de disputas. La variación continua había sido objeto de estudio a finales del siglo XIX, por Galton y Colaboradores, y a pesar de no lograr descubrir su modo de transmisión, demostraron por medio del análisis de regresión que al menos era parcialmente heredable. Cuando se redescubren los trabajos de Mendel, estos investigadores no están dispuestos ha aceptar las sencillas proporciones mendelianas, y por otro lado la escuela Mendeliana, había asumido que la existencia de variabilidad continua, era una prueba de no heredabilidad del carácter.

En 1906 Yule sugirió que no era necesario considerar contradictorios ambos tipos de herencia, si se postulaba la existencia de genes con efectos pequeños y semejantes para explicar la variación continua.

Los trabajas siguientes de Johansen y Nilson−Ehle fueron un paso más hacia la reconciliación, aunque todavía no se llegó a aceptar un modelo general que incluya a ambos tipos de herencia.

Hasta 1916 no se produce la reconciliación definitiva entre las dos Escuelas (biométrica y mendeliana), como consecuencia de los trabajos publicados por East, en los que logró demostrar que la herencia de caracteres cuantitativos podría ser explicada por la segregación de varios genes con efectos semejantes (hipótesis del factor múltiple).

En paralelo con la controversia entre las escuelas biométrica y mendeliana se desarrollaron los principios fundamentales de la Genética de Poblaciones. En 1908, Hardy, en Inglaterra y Weimberg, en Alemania demuestran que las frecuencias génicas no dependen de factores tales como la dominancia y la recesividad sino que, bajo ciertas condiciones permanecen esencialmente invariables.

Esta "ley de equilibrio" de Hardy−Weimberg constituye el teorema básico de la genética de poblaciones, rama de la Genética que está conectada o incluso puede considerarse como base fundamental de la Genética evolutiva.

Otros hechos importantes, en el desarrollo de la materia que nos ocupa pueden considerarse:

El descubrimiento de la sexualidad en las plantas, ya en 1694, Camerarius aporta las primeras evidencias, aspecto que es aceptado plenamente cuando en 1760, cuando Linneaus descubre los órganos sexuales en especies vegetales.

Los trabajos de Darwin sobre el papel de la selección natural, en el origen de las especies (1859) impulsaron también de forma notable la mejora vegetal.

El nacimiento de la Genética estuvo intimamamente ligado con la Mejora Vegetal, como lo demuestra el hecho de que, lo que hoy se consideran los tres primeros congresos internacionales de genética tuvieran como títulos "International Conference of Hibridization" (Londres, 1899), "Conference of Plant Breeding and Hibridization" (New York, 1902) y "international conference of Hibridization and Plant breeding" (Londres, 1906). En este último congreso, Bateson afirmó "que la actividad de los mejoradores de plantas y animales había dejado de ser un misterio para convertirse en una ciencia" y propuso el nombre de Genética para dicha ciencia.

A estos primeros descubrimientos, en el campo de la Genética y de especial trascendencia para la mejora, siguieron otros muchos, entre ellos destacar:

El descubrimiento de la transformación en Diplococus pneumoniae por Grifiith (1928) permitió demostrar a Avery, Macclod y McCarty (1944) que el ADN era el principio transformante. Aunque los resultados parecían contundentes, los genéticos de la época fueron al principio reacios a aceptar que una sustancia diferente a las proteínas fuera el soporte químico de la herencia. Como todo, las evidencias posteriores tanto directas como indirectas, condujeron a la conclusión de que el ADN, en la mayor parte de los organismos, y el ARN, en algunos virus, son las moléculas encargadas de portar la información genética.

En 1953 Watson y Crick proponen el podelo de la doble hélice para la estructura secundaria de la molécula de ADN. El modelo se aceptó de inmediato. Las razones fueron evidentes: la estructura propuesta encajaba con algunos de los principales requisitos exigibles a la molécula informacional: La capacidad de almacenar información, la capacidad de autoperpetuación y la capacidad de variación.

Una cuestión fundamental no explicada por el propio modelo de la doble hélice consistía en cómo el gen lograba transmitir su información a la célula. En 1941, Beadle y Tatum había emitido su hipótesis "un gen un enzima". Más tarde, en 1957, Ingram modificó la hipótesis original que, de un modo más general, pasó a formular como "un gen−una cadena polipeptídica".

Establecida la relación entre genes y proteínas, la cuestión seguía siendo explicar la forma en que el gen conseguía transmitir la información a su producto.

Las investigaciones efectuadas a lo largo de ese periodo llevan a Crick (1958) a formular lo que se vino a denominar como el "dogma central de la biología molecular": La información contenida en el ADN es transferida desde éste al ARN y de aquí a proteína.

En 1964 Temin y Baltimore descubren la existencia de enzimas capaces de sintetizar ADN utilizando como molde el ARN, es decir las transcriptasas inversas. Así pues también puede haber flujo de información desde el ARN al ADN. En todo caso el, el presupuesto básico permanece invariable, o sea la información genética siempre fluye del ácido nucleico a la proteína.

Una vez conocido que el gen transmite la información surgió la necesidad de descifrar el código que establece la relación entre la secuencia de nucleótidos especificada en el ácido nucleico y la secuencia de aminoácidos de la proteína. Por fin en 1966, gracias a los esfuerzos de Ochoa, Niremberg y Khorama, entre otros, se llegó a disponer de la tabla completa del código genético.

Se conoce pues la función del gen, el modo en que se transmite su información y como está codificado el mensaje genético. Pero ¿Cómo se regula su expresión?. Los organismos más simples para el estudio genético son los mas adecuados para abordar los problemas complejos y, en consecuencia, las primeras investigaciones sobre la regulación de la acción génica se realizaron en bacterias.

En 1961, Jacob Y Monod propusieron el primer modelo de regulación, conocido como el modelo del "Operón" que correspondía al estudio del "Operón Lac". El modelo básico se generalizó y se estableció un marco general que ofrece un panorama coherente de los mecanismos básicos de la regulación de la acción génica en bacterias.

Si el estudio de la regulación en bacterias representó un esfuerzo digno de admiración, la comprensión de los mecanismos de regulación en eucariotas parecía una empresa que superaba las capacidades de los métodos analíticos empleados hasta la fecha. Por fortuna, a principios de la década de los setenta se produce un salto cualitativo a nivel metodológico que abre un nuevo camino para el estudio de éste así como de otros muchos problemas genéticos. El aislamiento en 1970 de la primera endonucleasa de restricción inagura una nueva era de la genética.

De inmediato los investigadores caen en la cuenta de la extraordinaria importancia de esta poderosa herramienta, abriéndose un nuevo camino para el análisis genético a nivel molecular.

En los tres años siguientes se consigue la primera molécula de ADN recombinante y se desarrolla el primer método para clonar un segmento genómico.

La introducción de la tecnología del ADN recombinante tiene un impacto trascendental en la Genética. Se han abierto nuevos caminos que permiten analizar en profundidad la estructura de la regulación de los genes, quedando abierta también la vía para Producir organismos que serán de gran beneficio para la humanidad.

Hasta el advenimiento de la tecnología del ADN recombinante, la vía normal para estudiar un gen consistía en detectar un alelo mutante del mismo y, a través del análisis de éste, proceder a la identificación de su situación así como al estudio de la función del alelo normal, es decir, el alelo de tipo salvaje, La tecnología del ADN recombinante ofrece caminos alternativos. Ahora es posible llegar directamente a la identificación y aislamiento del propio gen de tipo salvaje, mas aún, los genes se pueden clonar, y mutar en sitios específicos, produciendo el cambio voluntario de uno o varios nucleótidos.

Se puede estudiar así el efecto fenotípico de estas mutaciones y comprobar el efecto de la sustitución de uno o pocos aminoácidos sobre la función de la proteína en cuestión.

Una aproximación parecida se basa en el empleo de genes antisentido, su transcripción anula de forma total o 4 parcial, la función del gen normal, y de esta forma se puede estudiar el efecto del gen sobre el fenotipo del individuo.

De forma alternativa, las propiedades específicas de unión de las transcriptasas a las regiones de control del gen permiten el aislamiento de dichas regiones, su secuenciación y estudio. El cambio dirigido de nucleótidos en estas regiones permite desvelar las secuencias claves en los procesos de regulación de la acción génica. La aplicación de estos métodos en estudios de regulación en eucariotas conduce a una comprensión primaria de la enorme complejidad de este tipo de procesos en los organismos más evolucionados.

Otro aspecto en el que se ha avanzado de forma considerable es el que se refiere a la organización del genoma en eucariotas. Entre ellos destacar el descubrimiento de Breathnacht (1977) de la interrupción de las secuencias codificantes (exones) de eucariotas por otras no codificantes (intrones). La existencia de genes interrumpidos obligo a postular un mecanismo adicional para el procesamiento de los productos de transcripción primarios de los genes eucaróticos.

La aplicación de las nuevas técnicas de análisis a nivel molecular en organismos cómo Drosophila etc.., ha permitido intrincarnos en un proceso complejo extremadamente difícil de diseccionar: el desarrollo de los eucariotas superiores entendido desde una perspectiva genética.

En términos generales el desarrollo parece estar controlado por una cascada de genes reguladores, de modo que cada uno de ellos actúa, en el momento y lugar preciso para promover la expresión del siguiente conjunto de genes en cascada. Los estudios en este área de trabajo están todavía muy poco avanzados en vegetales. Estamos muy lejos de entender todavía en su totalidad el desarrollo en los vegetales superiores (in vivo e In vitro). Este tema es uno de los retos ha desarrollar en la genética actual. No se trata sólo del beneficio que se obtendrá en cuanto al avance del conocimiento mismo.

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