Las plantas genéticamente modificadas han sido diseñadas para la investigación científica, para crear nuevos colores en las plantas, administrar vacunas y crear cultivos mejorados. Los genomas de las plantas se pueden diseñar mediante métodos físicos o mediante el uso de Agrobacterium para la entrega de secuencias alojadas en vectores binarios de ADN-T . Muchas células vegetales son pluripotentes , lo que significa que se puede cosechar una sola célula de una planta madura y luego, en las condiciones adecuadas, formar una nueva planta. Los ingenieros genéticos suelen aprovechar esta capacidad mediante la selección de células que pueden transformarse con éxito en una planta adulta que luego puede cultivarse en múltiples plantas nuevas que contienen un transgén en cada célula mediante un proceso conocido como cultivo de tejidos . [1]
Gran parte de los avances en el campo de la ingeniería genética han surgido de la experimentación con el tabaco . Los principales avances en el cultivo de tejidos y los mecanismos celulares vegetales para una amplia gama de plantas se originaron a partir de sistemas desarrollados en el tabaco. [2] Fue la primera planta modificada genéticamente y se considera un organismo modelo no sólo para la ingeniería genética, sino también para una variedad de otros campos. [3] Como tal, las herramientas y procedimientos transgénicos están bien establecidos, lo que la convierte en una de las plantas más fáciles de transformar. [4] Otro organismo modelo importante relevante para la ingeniería genética es Arabidopsis thaliana . Su pequeño genoma y su corto ciclo de vida lo hacen fácil de manipular y contiene muchos homólogos de importantes especies de cultivos. [5] Fue la primera planta secuenciada , tiene abundantes recursos bioinformáticos y puede transformarse simplemente sumergiendo una flor en una solución de Agrobacterium transformada . [6]
En la investigación, se diseñan plantas para ayudar a descubrir las funciones de ciertos genes. La forma más sencilla de hacerlo es eliminar el gen y ver qué fenotipo se desarrolla en comparación con la forma salvaje . Cualquier diferencia es posiblemente el resultado del gen faltante. A diferencia de la mutagénesis , la ingeniería genética permite la eliminación selectiva sin alterar otros genes del organismo. [1] Algunos genes solo se expresan en determinados tejidos, por lo que los genes informadores, como GUS , se pueden unir al gen de interés permitiendo la visualización de la ubicación. [7] Otras formas de probar un gen es alterarlo ligeramente y luego devolverlo a la planta y ver si todavía tiene el mismo efecto en el fenotipo. Otras estrategias incluyen unir el gen a un promotor fuerte y ver qué sucede cuando se sobreexpresa, lo que obliga a un gen a expresarse en una ubicación diferente o en diferentes etapas de desarrollo . [1]
Algunas plantas genéticamente modificadas son puramente ornamentales . Se modifican según el color de la flor, la fragancia, la forma de la flor y la arquitectura de la planta. [8] Las primeras plantas ornamentales modificadas genéticamente comercializaron colores alterados. [9] Los claveles se lanzaron en 1997, y el organismo genéticamente modificado más popular, una rosa azul (en realidad lavanda o malva) creada en 2004. [10] Las rosas se venden en Japón, Estados Unidos y Canadá. [11] [12] Otras plantas ornamentales genéticamente modificadas incluyen el crisantemo y la petunia . [8] Además de aumentar el valor estético, hay planes para desarrollar plantas ornamentales que utilicen menos agua o sean resistentes al frío, lo que permitiría cultivarlas fuera de su entorno natural. [13]
Se ha propuesto modificar genéticamente algunas especies de plantas amenazadas de extinción para que sean plantas invasoras resistentes y a enfermedades, como el barrenador esmeralda del fresno en América del Norte y la enfermedad fúngica Ceratocystis platani en los plátanos europeos . [14] El virus de la mancha anular de la papaya (PRSV) devastó los árboles de papaya en Hawaii en el siglo XX hasta que a las plantas de papaya transgénicas se les dio resistencia derivada de patógenos. [15] Sin embargo, la modificación genética para la conservación en plantas sigue siendo principalmente especulativa. Una preocupación única es que una especie transgénica ya no se parezca lo suficiente a la especie original como para afirmar verdaderamente que la especie original se está conservando. En cambio, las especies transgénicas pueden ser lo suficientemente diferentes genéticamente como para ser consideradas una nueva especie, disminuyendo así el valor de conservación de la modificación genética. [14]
Los cultivos genéticamente modificados son plantas genéticamente modificadas que se utilizan en la agricultura . Los primeros cultivos proporcionados se utilizan para la alimentación animal o humana y proporcionan resistencia a determinadas plagas, enfermedades, condiciones ambientales, deterioro o tratamientos químicos (por ejemplo, resistencia a un herbicida ). [16] La segunda generación de cultivos tenía como objetivo mejorar la calidad, a menudo alterando el perfil de nutrientes . Los cultivos genéticamente modificados de tercera generación se pueden utilizar con fines no alimentarios, incluida la producción de agentes farmacéuticos , biocombustibles y otros bienes industrialmente útiles, así como para la biorremediación . [17]
Hay tres objetivos principales para el avance agrícola; aumento de la producción, mejores condiciones para los trabajadores agrícolas y sostenibilidad . Los cultivos transgénicos contribuyen mejorando las cosechas al reducir la presión de los insectos, aumentar el valor de los nutrientes y tolerar diferentes estreses abióticos . A pesar de este potencial, a partir de 2018, los cultivos comercializados se limitan principalmente a cultivos comerciales como algodón, soja, maíz y canola, y la gran mayoría de las características introducidas proporcionan tolerancia a herbicidas o resistencia a insectos. [17] La soja representó la mitad de todos los cultivos genéticamente modificados plantados en 2014. [18] La adopción por parte de los agricultores ha sido rápida: entre 1996 y 2013, la superficie total de tierra cultivada con cultivos transgénicos aumentó en un factor de 100, de 17.000 kilómetros cuadrados (4.200.000 acres) a 1.750.000 km 2 (432 millones de acres). [19] Sin embargo, geográficamente la distribución ha sido muy desigual, con un fuerte crecimiento en América y partes de Asia y poco en Europa y África. [17] Su difusión socioeconómica ha sido más uniforme: aproximadamente el 54% de los cultivos transgénicos del mundo se cultivaron en países en desarrollo en 2013. [19]
La mayoría de los cultivos transgénicos han sido modificados para que sean resistentes a herbicidas seleccionados, generalmente uno a base de glifosato o glufosinato . Los cultivos genéticamente modificados diseñados para resistir los herbicidas ahora están más disponibles que las variedades resistentes obtenidas convencionalmente; [20] en los EE.UU. el 93% de la soja y la mayor parte del maíz transgénico cultivado es tolerante al glifosato. [21] La mayoría de los genes actualmente disponibles que se utilizan para diseñar la resistencia de los insectos provienen de la bacteria Bacillus thuringiensis . La mayoría están en forma de genes de endotoxina delta conocidos como proteínas cry, mientras que unos pocos usan genes que codifican proteínas insecticidas vegetativas. [22] El único gen utilizado comercialmente para proporcionar protección contra insectos que no se origina en B. thuringiensis es el inhibidor de tripsina del caupí (CpTI). CpTI fue aprobado por primera vez para su uso en algodón en 1999 y actualmente se encuentra en fase de pruebas en arroz. [23] [24] Menos del uno por ciento de los cultivos transgénicos contenían otros rasgos, que incluyen proporcionar resistencia a los virus, retrasar la senescencia, modificar el color de las flores y alterar la composición de las plantas. [18] El arroz dorado es el cultivo transgénico más conocido cuyo objetivo es aumentar el valor de los nutrientes. Ha sido diseñado con tres genes que biosintetizan el betacaroteno , un precursor de la vitamina A , en las partes comestibles del arroz. [25] Su objetivo es producir un alimento enriquecido para cultivar y consumir en zonas con escasez de vitamina A en la dieta . [26] una deficiencia que se estima que cada año mata a 670.000 niños menores de 5 años [27] y causa 500.000 casos adicionales de ceguera infantil irreversible. [28] El arroz dorado original producía 1,6 μg/g de carotenoides , y el desarrollo posterior aumentó esta cifra 23 veces. [29] En 2018 obtuvo sus primeras aprobaciones para su uso como alimento. [30]
Se han modificado genéticamente plantas y células vegetales para la producción de productos biofarmacéuticos en biorreactores , un proceso conocido como Pharming . Se ha trabajado con la lenteja de agua Lemna minor , [31] el alga Chlamydomonas reinhardtii [32] y el musgo Physcomitrella patens . [33] [34] Los productos biofarmacéuticos producidos incluyen citocinas , hormonas , anticuerpos , enzimas y vacunas, la mayoría de los cuales se acumulan en las semillas de las plantas. Muchos medicamentos también contienen ingredientes vegetales naturales y las vías que conducen a su producción han sido alteradas genéticamente o transferidas a otras especies de plantas para producir mayor volumen y mejores productos. [35] Otras opciones para los biorreactores son los biopolímeros [36] y los biocombustibles . [37] A diferencia de las bacterias, las plantas pueden modificar las proteínas postraduccionalmente , permitiéndoles producir moléculas más complejas. También presentan menos riesgo de contaminarse. [38] Se han cultivado terapias en células transgénicas de zanahoria y tabaco, [39] incluido un tratamiento farmacológico para la enfermedad de Gaucher . [40]
La producción y almacenamiento de vacunas tiene un gran potencial en las plantas transgénicas. Las vacunas son caras de producir, transportar y administrar, por lo que contar con un sistema que pudiera producirlas localmente permitiría un mayor acceso a las zonas más pobres y en desarrollo. [35] Además de purificar las vacunas expresadas en plantas, también es posible producir vacunas comestibles en plantas. Las vacunas comestibles estimulan el sistema inmunológico cuando se ingieren para proteger contra ciertas enfermedades. El almacenamiento en plantas reduce el coste a largo plazo, ya que se pueden diseminar sin necesidad de almacenamiento en frío, no es necesario purificarlos y tienen estabilidad a largo plazo. Además, estar alojado dentro de las células vegetales proporciona cierta protección contra los ácidos intestinales durante la digestión; El costo de desarrollar, regular y contener plantas transgénicas es alto, lo que lleva a que la mayoría de los desarrollos actuales de vacunas basadas en plantas se apliquen a la medicina veterinaria , donde los controles no son tan estrictos. [41]
Un cultivo existente, el "arroz dorado" genéticamente modificado que produce vitamina A, ya es enormemente prometedor para reducir la ceguera y el enanismo que resultan de una dieta deficiente en vitamina A.