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cría por mutación

El mejoramiento por mutación , a veces denominado " mejoramiento por variación ", es el proceso de exponer semillas a químicos , radiación o enzimas [1] [2] para generar mutantes con rasgos deseables para ser mejorados con otros cultivares . Las plantas creadas mediante mutagénesis a veces se denominan plantas mutagénicas o semillas mutagénicas.

Desde 1930 hasta 2014 se liberaron más de 3200 variedades de plantas mutagénicas [3] [4] que se derivaron como mutantes directos (70%) o de su progenie (30%). [5] Las plantas de cultivo representan el 75% de las especies mutagénicas liberadas y el 25% restante son plantas ornamentales o decorativas. [6] Sin embargo, aunque la FAO / OIEA informó en 2014 que se cultivaban en todo el mundo más de 1.000 variedades mutantes de los principales cultivos básicos, [3] no está claro cuántas de estas variedades se utilizan actualmente en la agricultura o la horticultura en todo el mundo, ya que Estas semillas no siempre están identificadas o etiquetadas como de procedencia mutagénica. [7]

Historia

Según la historiadora de jardines Paige Johnson:

Después de la Segunda Guerra Mundial, hubo un esfuerzo concertado para encontrar usos "pacíficos" para la energía atómica . Una de las ideas era bombardear las plantas con radiación y producir muchas mutaciones, algunas de las cuales, se esperaba, condujeran a plantas que tuvieran un mayor porte, que fueran resistentes a las enfermedades o al frío, o que simplemente tuvieran colores inusuales. Los experimentos se llevaron a cabo principalmente en jardines gamma gigantes en terrenos de laboratorios nacionales en los EE. UU., pero también en Europa y países de la [entonces] URSS. [8]

Procesos

Existen diferentes tipos de reproducción mutagénica, como el uso de mutágenos químicos como el metanosulfonato de etilo y el sulfato de dimetilo , radiación o transposones para generar mutantes . El mejoramiento por mutaciones se usa comúnmente para producir rasgos en cultivos, como semillas más grandes, nuevos colores o frutos más dulces, que no se pueden encontrar en la naturaleza o se han perdido durante la evolución. [9]

Radiación

La exposición de las plantas a la radiación a veces se denomina reproducción por radiación y es una subclase de reproducción mutagénica. El mejoramiento por radiación se descubrió en la década de 1920, cuando Lewis Stadler , de la Universidad de Missouri, utilizó rayos X en maíz y cebada. En el caso de la cebada, las plantas resultantes eran blancas, amarillas, amarillas pálidas y algunas tenían rayas blancas. [10] En 1928, Stadler publicó por primera vez sus hallazgos sobre la mutagénesis inducida por radiación en plantas. [11] Durante el período 1930-2004, las variedades mutantes inducidas por radiación se desarrollaron principalmente utilizando rayos gamma (64%) y rayos X (22%). [6] : 187 

La reproducción por radiación puede tener lugar en jardines atómicos ; [11] y se han enviado semillas a la órbita para exponerlas a más radiación cósmica. [12]

La luz ultravioleta se ha utilizado, por ejemplo, para producirknockoutspara la investigación demecanismosvirulenciapatógenos vegetales. [13]

quimicos

Las altas tasas de aberraciones cromosómicas resultantes de la radiación ionizante y los efectos perjudiciales que las acompañan hicieron que los investigadores buscaran fuentes alternativas para inducir mutaciones. Como resultado, se ha descubierto una serie de mutágenos químicos. Los mutágenos químicos más utilizados son los agentes alquilantes . El metanosulfonato de etilo (EMS) es el más popular debido a su eficacia y facilidad de manipulación, especialmente su desintoxicación mediante hidrólisis para su eliminación. Los compuestos nitrosos son los otros agentes alquilantes más utilizados, pero son sensibles a la luz y es necesario tomar más precauciones debido a su mayor volatilidad. EMS se ha convertido en un mutágeno de uso común para desarrollar una gran cantidad de mutantes para la detección, como en el desarrollo de poblaciones TILLING . [14] Aunque muchos productos químicos son mutágenos, sólo unos pocos se han utilizado en el mejoramiento práctico, ya que es necesario optimizar las dosis y también porque la efectividad no es alta en las plantas para muchas. [ cita necesaria ]

Endonucleasas de restricción

El interés en el uso de endonucleasas de restricción (RE) bacterianas (por ejemplo, Fok1 [2] y CRISPR/ Cas9 [1] [2] ) para estudiar las roturas de doble cadena del ADN vegetal comenzó a mediados de los años noventa. Se descubrió que estas roturas en el ADN, también conocidas como DSB, eran la fuente de gran parte del daño cromosómico en eucariotas, provocando mutaciones en variedades de plantas. Las ER inducen un resultado en el ADN de las plantas similar al de la radiación ionizante o los productos químicos radiomiméticos. Se descubrió que las roturas con extremos romos en el ADN, a diferencia de las roturas con extremos pegajosos, producen más variaciones en el daño cromosómico, lo que las convierte en el tipo de rotura más útil para la reproducción de mutaciones. Si bien la conexión de los RE con las aberraciones cromosómicas se limita principalmente a la investigación sobre el ADN de los mamíferos, el éxito en los estudios con mamíferos hizo que los científicos realizaran más estudios sobre el daño cromosómico y del ADN inducido por los RE en los genomas de la cebada . Debido a la capacidad de las endonucleasas de restricción para facilitar el daño en los cromosomas y el ADN, las RE tienen la capacidad de usarse como un nuevo método de mutagénesis para promover la proliferación de variedades de plantas mutadas. [15] [1] [2]

cría espacial

La capacidad de las plantas para desarrollarse y prosperar depende de condiciones como la microgravedad y la radiación cósmica en el espacio. China ha estado experimentando con esta teoría enviando semillas al espacio, probando si los vuelos espaciales causarán mutaciones genéticas. Desde 1987, China ha cultivado 66 variedades mutantes procedentes del espacio a través de su programa de reproducción espacial. Las aberraciones cromosómicas aumentaron considerablemente cuando las semillas se enviaron al espacio aeroespacial en comparación con sus contrapartes terrestres. El efecto de los vuelos espaciales sobre las semillas depende de su especie y variedad. Por ejemplo, el trigo producido en el espacio experimentó un gran crecimiento en la germinación de semillas en comparación con su control terrestre, pero el arroz producido en el espacio no tuvo ninguna ventaja visible en comparación con su control. Para las variedades que fueron mutadas positivamente por los vuelos espaciales, su potencial de crecimiento excedió no sólo el de sus contrapartes cultivadas en la Tierra, sino también el de sus contrapartes irradiadas en la Tierra. En comparación con las técnicas mutagénicas tradicionales, las mutaciones generadas en el espacio tienen mayor eficacia porque experimentan efectos positivos en su primera generación de mutaciones, mientras que los cultivos irradiados a menudo no ven mutaciones ventajosas en sus primeras generaciones. Aunque múltiples experimentos han demostrado los efectos positivos de los vuelos espaciales sobre la mutación de semillas, no existe una conexión clara sobre qué aspecto del sector aeroespacial ha producido mutaciones tan ventajosas. Se especula mucho sobre la posibilidad de que la radiación cósmica sea la fuente de aberraciones cromosómicas, pero hasta ahora no ha habido evidencia concreta de tal conexión. Aunque se ha demostrado que el programa de reproducción espacial de China es muy exitoso, el programa requiere un gran presupuesto y apoyo tecnológico que muchos otros países no quieren o no pueden proporcionar, lo que significa que este programa es inviable fuera de China. Debido a tales restricciones, los científicos han estado tratando de replicar las condiciones espaciales en la Tierra para promover las mismas mutaciones nacidas en el espacio en la Tierra. Una de esas réplicas es un campo magnético en el espacio libre (MF), que produce un área con un campo magnético más débil que el de la Tierra. El tratamiento con MF produjo resultados mutagénicos y se ha utilizado para cultivar nuevas variedades mutantes de arroz y alfalfa. Otras réplicas de las condiciones espaciales incluyen la irradiación de semillas mediante un haz pesado de iones de litio o partículas mixtas de alta energía. [16] Estas variedades obtenidas en el espacio ya se están presentando al público. En 2011, durante la Exposición Nacional de Flores de Loto en China, se mostró en la exposición de flores un loto mutante, llamado "Sol del espacio exterior". [17]

Tecnología de haz de iones

Los haces de iones mutan el ADN eliminando múltiples bases del genoma. En comparación con las fuentes tradicionales de radiación, como los rayos gamma y los rayos X, se ha demostrado que los haces de iones causan roturas más graves en el ADN que son más difíciles de volver a unir, lo que provoca que el cambio en el ADN sea más drástico que los cambios causados ​​por las fuentes tradicionales. irradiación. Los haces de iones cambian el ADN de una manera que lo hace lucir muy diferente de su composición original, más aún que cuando se utilizan técnicas de irradiación tradicionales. La mayor parte de la experimentación, utilizando tecnología de haces de iones, se ha llevado a cabo en Japón. Las instalaciones notables que utilizan esta tecnología son TIARA de la Agencia de Energía Atómica de Japón , el Centro de Investigación del Acelerador RIKEN y varias otras instituciones japonesas. Durante el proceso de radiación con haz de iones, las semillas se encajan entre dos películas de Kapton y se irradian durante aproximadamente dos minutos. Las frecuencias de mutación son notablemente más altas para la radiación de haz de iones en comparación con la radiación de electrones, y el espectro de mutación es más amplio para la radiación de haz de iones en comparación con la radiación de rayos gamma. El espectro de mutación más amplio se reveló a través de la gran variedad de fenotipos florales producidos por haces de iones. Las flores mutadas por los rayos de iones exhibieron una variedad de colores, patrones y formas. Mediante la radiación de haces de iones se han cultivado nuevas variedades de plantas. Estas plantas tenían las características de ser resistentes a la luz ultravioleta B, a las enfermedades y deficientes en clorofila . La tecnología de haces de iones se ha utilizado en el descubrimiento de nuevos genes responsables de la creación de plantas más robustas, pero su uso más frecuente es comercialmente para producir nuevos fenotipos de flores, como los crisantemos rayados . [18]

Polen maduro tratado con radiación gamma.

La radiación gamma se utiliza en el polen de arroz maduro para producir plantas madre que se utilizan para el cruce. Los rasgos mutados en las plantas madre pueden ser heredados por sus plantas descendientes. Debido a que el polen de arroz tiene una vida útil muy corta, los investigadores tuvieron que disparar rayos gamma a espigas cultivadas de plantas de arroz. A través de la experimentación, se reveló que había una mayor variedad de mutaciones en el polen irradiado que en las semillas secas irradiadas. El polen tratado con 46 Gy de radiación gamma mostró un aumento general en el tamaño del grano y otras variaciones útiles. Normalmente, la longitud de cada grano era mayor después del cruce de plantas de arroz madre irradiadas. La progenie del arroz también exhibió un rostro menos calcáreo, mejorando la apariencia de las plantas de arroz madre. Esta técnica se utilizó para desarrollar dos nuevos cultivares de arroz , Jiaohezaozhan y Jiafuzhan, en China. Además de facilitar la creación de estos dos cultivares de arroz, la irradiación de polen de arroz maduro ha producido aproximadamente doscientas líneas de arroz mutantes. Cada una de estas líneas produce granos de arroz de mayor calidad y mayor tamaño. Las mutaciones producidas por esta técnica varían con cada generación, lo que significa que un mayor cultivo de estas plantas mutadas podría producir nuevas mutaciones. Tradicionalmente , la radiación gamma se utiliza únicamente en plantas adultas y no en polen. La irradiación de polen maduro permite que las plantas mutantes crezcan sin estar en contacto directo con la radiación gamma. Este descubrimiento contrasta con lo que antes se creía sobre la radiación gamma: que sólo podía provocar mutaciones en las plantas y no en el polen. [19]

Comparación con otras técnicas.

En el debate sobre los alimentos genéticamente modificados , el uso de procesos transgénicos a menudo se compara y contrasta con los procesos mutagénicos. [20] Si bien la abundancia y variación de los organismos transgénicos en los sistemas alimentarios humanos y su efecto sobre la biodiversidad agrícola, la salud de los ecosistemas y la salud humana están algo bien documentados, las plantas mutagénicas y su papel en los sistemas alimentarios humanos son menos conocidos, según un periodista. escribiendo "Aunque poco conocido, el mejoramiento por radiación ha producido miles de mutantes útiles y una fracción considerable de los cultivos del mundo... incluyendo variedades de arroz, trigo, cebada, peras, guisantes, algodón, menta, girasoles, maní, pomelo, sésamo, plátanos, yuca y sorgo." [10] En Canadá, los cultivos generados mediante mejoramiento por mutación enfrentan las mismas regulaciones y pruebas que los cultivos obtenidos mediante ingeniería genética. [21] [22] [23] [24] Las variedades mutagénicas tienden a estar disponibles gratuitamente para el fitomejoramiento, a diferencia de muchas variedades de plantas comerciales o germoplasma que tienen cada vez más restricciones en su uso [6] : 187  , como las condiciones de uso. , patentes y tecnologías propuestas de restricción de usuarios genéticos y otros regímenes de propiedad intelectual y modos de aplicación.

A diferencia de los cultivos genéticamente modificados , que normalmente implican la inserción de uno o dos genes objetivo, las plantas desarrolladas mediante procesos mutagénicos con cambios genéticos aleatorios, múltiples e inespecíficos [25] han sido discutidas como una preocupación [26] pero no están prohibidas por ninguna legislación orgánica de ningún país. estándares . Los informes de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos afirman que no existe justificación científica para regular los cultivos modificados genéticamente y no hacerlo para los cultivos mejorados por mutaciones. [7]

Varias empresas de semillas y alimentos orgánicos promueven y venden productos orgánicos certificados que se desarrollaron mediante mutagénesis química y nuclear. [27] Varias marcas orgánicas certificadas, cuyas empresas apoyan un etiquetado estricto o prohibiciones absolutas de cultivos transgénicos, comercializan su uso de trigo de marca y otras cepas varietales que se derivaron de procesos mutagénicos sin ninguna referencia a esta manipulación genética. [27] Estos productos orgánicos van desde ingredientes mutagénicos de cebada y trigo utilizados en cervezas orgánicas [28] hasta variedades mutagénicas de pomelos vendidos directamente a los consumidores como orgánicos. [29]

Lanzamiento por nación

En 2011, el porcentaje de todas las variedades mutagénicas liberadas a nivel mundial, por país, fue: [6] : 187  [30]

Las variedades notables por país incluyen:

 Argentina
 Australia
 Bangladesh
 Cuba
 República Popular de China

 República Checa

 Egipto
 Finlandia
 Francia
 Alemania
 Ghana
 India
 Italia
 Japón
 Birmania
 Pakistán
 Perú
 Sudán
 Tailandia
 Reino Unido
 Estados Unidos
 Vietnam

En 2014, se informó que se habían entregado oficialmente a los agricultores vietnamitas 17 variedades mutantes de arroz, 10 de soja, dos de maíz y una de crisantemo. El 15% del arroz y el 50% de la soja se produjeron a partir de variedades mutantes. [45]

Ver también

Referencias

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enlaces externos