¿Qué es el fitomejoramiento?
Surgido en los últimos 120 años, el fitomejoramiento basado en la ciencia comienza por crear una nueva diversidad a partir de la cual se pueden identificar o formar nuevas variedades útiles. El enfoque más común consiste en realizar cruces dirigidos entre progenitores con rasgos complementarios y deseables. Después, se realiza una selección entre las plantas resultantes para obtener tipos mejorados que combinen los rasgos y el rendimiento deseados. Un enfoque menos común consiste en exponer los tejidos de las plantas a sustancias químicas o a radiaciones que estimulan mutaciones aleatorias del tipo que se producen en la naturaleza, creando diversidad e impulsando la selección natural y la evolución.
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 últimos 100 años ha fomentado la seguridad alimentaria y nutricional de poblaciones en expansión, ha adaptado los cultivos a los cambios climáticos y ha contribuido a aliviar la pobreza. Junto con mejores prácticas agrícolas, las variedades de cultivos mejoradas pueden ayudar a reducir la degradación del medio ambiente y a mitigar el cambio climático derivado de la agricultura.
¿El fitomejoramiento es una técnica moderna?
El fitomejoramiento comenzó hace unos 10.000 años, cuando los humanos emprendieron la domesticación 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 genéticamente las especies para su uso humano.
El mejoramiento moderno, basado en la ciencia, es una versión centrada, sistemática y más rápida de ese proceso. Se ha aplicado a todos los cultivos, entre ellos el maíz, el trigo, el arroz, las papas, los frijoles, la yuca y los cultivos hortícolas, así como a los árboles frutales, la caña de azúcar, la palma aceitera, el algodón, 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 autóctonas seleccionadas por los agricultores, las variedades mejoradas y los parientes no domesticados de los cultivos. En la actualidad, cientos de miles de muestras únicas de diversos tipos de cultivos, en forma de semillas y esquejes, se conservan meticulosamente como catálogos vivos en docenas de “bancos” administrados públicamente.
El Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT) gestiona un banco de germoplasma que contiene más de 180.000 muestras únicas de semillas relacionadas con el maíz y el trigo, y la Bóveda Global de Semillas de Svalbard, en la isla Spitsbergen en Noruega, conserva copias de seguridad de casi un millón de colecciones del CIMMYT y otros bancos.
Mediante análisis genéticos o el cultivo de muestras de semillas, los científicos rastrean estas colecciones para encontrar rasgos útiles. Los datos y las muestras de semillas de este tipo de iniciativas financiadas con fondos públicos 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 maíz y el trigo, están disponibles y ayudan mucho a los científicos a identificar diversidad novedosa y útil.
Gran parte de la mejora de los cultivos es internacional. A partir de sus propios programas de mejoramiento, el CIMMYT envía cada año medio millón de paquetes de semillas a unos 800 socios, entre los que se encuentran instituciones públicas de investigación y empresas privadas de 100 países, para el mejoramiento, los análisis genéticos y otras investigaciones.
Un siglo de innovaciones de mejoramiento genético
A principios del siglo XX, los fitomejoradores empezaron a aplicar los descubrimientos de Gregor Mendel, matemático y biólogo del siglo XIX, sobre la variación genética y la herencia. También empezaron a aprovechar la heterosis, comúnmente conocida como vigor híbrido, por la que la progenie de los cruces entre líneas genéticamente diferentes resultará más 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 década de 1990, los genetistas y fitomejoradores han utilizado marcadores moleculares (basados en el ADN). Se trata de regiones específicas del genoma vegetal que están vinculadas a un gen que influye en un rasgo deseado. Los marcadores también pueden utilizarse para obtener una “huella” de ADN de una variedad, para desarrollar mapas genéticos 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 número de rasgos deseados de sus parentales.
Los fitomejoradores normalmente prefieren trabajar con poblaciones “de élite” que ya han sido objeto de mejora y, por tanto, presentan altas concentraciones de genes útiles y menos indeseables, pero los científicos también introducen diversidad no de élite 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 transgénicos son productos de una tecnología de ingeniería genética, en la que se inserta un gen de una especie en otra. Una gran ventaja de esta tecnología para la mejora de los cultivos es que introduce únicamente el gen deseado, a diferencia de los cruces convencionales, en los que muchos genes no deseados acompañan al gen objetivo y pueden reducir el rendimiento u otros rasgos valiosos. Los transgénicos se utilizan desde los años 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 transgénicos se cultivan en más de 190 millones de hectáreas 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, así como la preocupación de los consumidores por dichos riesgos y el reparto equitativo de los beneficios, hacen que las variedades de cultivos transgénicos sean difíciles y caras de implantar.
Las técnicas de edición del genoma o de genes permiten modificar con precisión secuencias específicas de ADN, lo que hace posible aumentar, disminuir o desactivar la expresión de los genes y convertirlos en versiones más favorables. La edición de genes se utiliza principalmente para producir plantas no transgénicas, como las que surgen por mutaciones naturales. Este método puede utilizarse para mejorar los rasgos de las plantas controlados por un solo gen o por un pequeño número de ellos, como la resistencia a las enfermedades y la mejora de la calidad del grano o la nutrición. En muchos países aún se está definiendo si se deben regular los cultivos editados por genes y cómo hacerlo.
Algunos efectos del mejoramiento del maíz y el trigo
A principios de la década de 1990, una metodología del CIMMYT dio lugar a variedades de maíz mejoradas que toleran condiciones de sequía moderada en torno a la floración en entornos tropicales de secano, además de presentar otros valiosos rasgos agronómicos y de resiliencia. En 2015, casi la mitad de la superficie productora de maíz en 18 países del África subsahariana —una región en la que el cultivo proporciona casi un tercio de las calorías humanas, pero en la que el 65% de las tierras de maíz se enfrentan a sequías al menos ocasionales— se sembró con variedades procedentes de esta investigación de mejora, en colaboración con el Instituto Internacional de Agricultura Tropical (IITA, en inglés). Los beneficios anuales se estiman en 1.000 millones de dólares.
El mejoramiento intensivo para la resistencia a la necrosis letal del maíz (MLN), una enfermedad viral que apareció en África oriental en 2011 y se extendió rápidamente para atacar los cultivos de maíz en todo el continente, permitió la liberación en 2017 de 18 híbridos de maíz resistentes a la MLN.
Las variedades mejoradas de trigo desarrolladas con líneas de mejora del CIMMYT o del Centro Internacional de Investigación Agrícola en Zonas Áridas (ICARDA, en inglés) cubren más de 100 millones de hectáreas, casi dos tercios de la superficie sembrada con trigo mejorado en todo el mundo, con unos beneficios en grano añadido que oscilan entre 2.800 y 3.800 millones de dólares cada año.
La mejora de la resistencia a las devastadoras enfermedades y plagas de los cultivos ha ahorrado miles de millones de dólares en pérdidas de cosechas y ha reducido el uso de plaguicidas costosos y potencialmente dañinos. Un estudio de 2004 demostró que las inversiones realizadas desde principios de la década de 1970 en la mejora de la resistencia del trigo a la enfermedad fúngica de la roya de la hoja habían proporcionado beneficios en grano añadido por valor de 5.360 millones de dólares estadounidenses de 1990. La investigación 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 dólares cada año.
Los cruces de trigo con cultivos afines (centeno) o incluso con hierbas silvestres —estos últimos conocidos como cruces amplios— han mejorado mucho la resistencia y la productividad del trigo. Por ejemplo, se calcula que una quinta parte de las líneas de mejora de trigo de élite 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 biofortificación, es decir, el desarrollo de cultivos enriquecidos desde el punto de vista nutricional, ha dado lugar a más de 60 variedades de maíz y trigo cuyo grano ofrece una mejor calidad de proteínas o niveles más altos de micronutrientes como el zinc y la provitamina A. Las variedades de maíz y trigo biofortificadas han beneficiado a las familias de pequeños agricultores y a los consumidores de más de 20 países del África subsahariana, Asia y América Latina. Se ha demostrado que el consumo de maíz o camote enriquecidos con provitamina A reduce las deficiencias crónicas de vitamina A en los niños de África 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 nutrición entre las comunidades vulnerables.
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 duración del día prolongada artificialmente, las temperaturas controladas, la selección genómica, la ciencia de los datos, las herramientas de inteligencia artificial y la tecnología avanzada para registrar la información de las plantas —también llamada fenotipificación— para hacer el mejoramiento más rápido y eficiente. Una instalación de mejoramiento acelerado del trigo del CIMMYT cuenta con un invernadero con iluminación especializada, temperaturas controladas y otros elementos especiales que permitirán cultivar cuatro ciclos —o generaciones— al año, en lugar de sólo 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 investigación de cultivos en todo el mundo.
Análisis y gestión de datos: El cultivo y la evaluación de cientos de miles de plantas en diversos ensayos a través de múltiples sitios cada temporada genera enormes volúmenes de datos que los mejoradores deben examinar, integrar y analizar para informar las decisiones, especialmente sobre qué líneas cruzar y qué poblaciones descartar o avanzar. Las nuevas herramientas informáticas, como el Enterprise Breeding System, ayudarán a los científicos a gestionar, analizar y aplicar los grandes datos procedentes de los estudios genómicos, de campo y de laboratorio.
Seguir a los líderes: Impulsadas por la competencia y la búsqueda de beneficios, las empresas privadas que comercializan semillas y otros productos agrícolas suelen estar a la vanguardia de las innovaciones en materia de mejora genética. La iniciativa Excelencia en el Mejoramiento (EiB, en inglés) del CGIAR está ayudando a los programas de mejoramiento que atienden a los agricultores de los países de ingresos bajos y medios a adoptar las mejores prácticas adecuadas de las empresas privadas, incluidos los enfoques basados en marcadores moleculares, la mecanización estratégica, la digitalización 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: Estación experimental del CIMMYT en Toluca, México. Situada en un valle a 2.630 metros sobre el nivel del mar, con un clima fresco y húmedo, es el lugar ideal para seleccionar materiales de trigo resistentes a enfermedades foliares, como la roya del trigo. El fitomejoramiento convencional implica la selección entre cientos de miles de plantas procedentes de cruces a lo largo de muchas generaciones, y requiere amplias y costosas instalaciones de campo, de selección y de laboratorio. (Foto: Alfonso Cortés/CIMMYT)
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