Conceptos básicos del mejoramiento de plantas: Creación de nuevas variedades mediante la selección artificial

El mejoramiento de plantas es el arte y la ciencia de cambiar los rasgos de las plantas con el fin de producir las características deseadas. Se ha practicado durante miles de años, comenzando con los primeros agricultores que seleccionaban las mejores semillas de cada cosecha para plantar la siguiente generación. Hoy en día, el mejoramiento de plantas combina técnicas tradicionales con tecnologías modernas para crear variedades mejoradas que son más productivas, resistentes a las enfermedades y adaptables a diversas condiciones ambientales. Este artículo proporciona una visión general completa del mejoramiento de plantas, centrándose en la selección artificial, uno de los métodos más antiguos y ampliamente utilizados.

¿Qué es la selección artificial?

La selección artificial, también conocida como selección artificial, es el proceso de seleccionar plantas con rasgos deseables y usarlas como padres para producir la siguiente generación. Este proceso se repite durante muchas generaciones, mejorando gradualmente los rasgos deseados en la población. A diferencia de la ingeniería genética, la selección artificial trabaja dentro de la variación genética natural ya presente dentro de una especie de planta. No introduce genes extraños de otras especies. Es un método para guiar el proceso evolutivo en una dirección que beneficie a los humanos.

Los principios de la selección artificial

La selección artificial se basa en varios principios clave:

• Variación: Los individuos dentro de una población deben exhibir variación en los rasgos de interés. Sin variación, no hay nada que seleccionar. Esta variación surge de las diferencias genéticas entre los individuos.
• Heredabilidad: Los rasgos deseados deben ser heredables, lo que significa que pueden transmitirse de padres a hijos. Los rasgos que están fuertemente influenciados por el medio ambiente pueden ser difíciles de mejorar mediante la selección artificial.
• Selección: Los mejoradores deben ser capaces de identificar y seleccionar individuos con la mejor expresión de los rasgos deseados. Esto requiere una cuidadosa observación, medición y evaluación.
• Reproducción: Los individuos seleccionados deben ser capaces de reproducirse, ya sea mediante autopolinización, polinización cruzada o propagación vegetativa.

Pasos en la selección artificial

El proceso de selección artificial generalmente involucra los siguientes pasos:

1. Definición de los objetivos de mejora

El primer paso es definir claramente los objetivos de mejora. ¿Cuáles son los rasgos deseados que desea mejorar? Ejemplos incluyen:

• Mayor rendimiento (por ejemplo, más granos por planta, frutos más grandes)
• Resistencia mejorada a las enfermedades (por ejemplo, resistencia a enfermedades fúngicas, bacterianas o virales)
• Contenido nutricional mejorado (por ejemplo, mayores niveles de vitaminas, minerales o proteínas)
• Mejor adaptación a entornos específicos (por ejemplo, tolerancia a la sequía, resistencia al frío)
• Rasgos de calidad mejorados (por ejemplo, mejor sabor, textura o apariencia)

Los objetivos de mejora deben ser específicos, medibles, alcanzables, relevantes y con plazos definidos (SMART). Por ejemplo, un objetivo de mejora podría ser desarrollar una variedad de trigo con un 20% más de rendimiento de grano en áreas propensas a la sequía en un plazo de cinco años.

2. Selección de plantas parentales

Una vez que se definen los objetivos de mejora, el siguiente paso es seleccionar las plantas parentales que poseen los rasgos deseados. Esto implica evaluar un gran número de plantas y elegir los individuos que mejor cumplen con los objetivos de mejora. Los mejoradores a menudo consideran múltiples rasgos simultáneamente, ya que mejorar un rasgo a veces puede afectar negativamente a otro. Las fuentes de plantas parentales pueden incluir:

• Razas locales: Variedades adaptadas localmente que han sido desarrolladas por agricultores durante generaciones. Las razas locales a menudo poseen una amplia gama de diversidad genética y pueden ser fuentes valiosas de genes para la resistencia a las enfermedades, la tolerancia al estrés y rasgos de calidad únicos.
• Variedades reliquia: Variedades de polinización abierta que se han transmitido de generación en generación a través de familias o comunidades durante muchos años. Al igual que las razas locales, las variedades reliquia pueden ser una fuente de rasgos únicos y diversidad genética.
• Líneas de mejoramiento: Plantas que han sido previamente seleccionadas y mejoradas a través de programas de mejoramiento. Las líneas de mejoramiento a menudo tienen una combinación de rasgos deseables y pueden usarse como padres para crear variedades aún mejores.
• Parientes silvestres: Especies silvestres que están estrechamente relacionadas con los cultivos cultivados. Los parientes silvestres pueden ser una fuente valiosa de genes para la resistencia a las enfermedades, la tolerancia al estrés y otros rasgos que pueden estar ausentes en las variedades cultivadas. Sin embargo, cruzar cultivos cultivados con parientes silvestres puede ser un desafío y puede requerir técnicas especiales.
• Bancos de genes: Colecciones de semillas u otro material vegetal que se mantienen con fines de conservación y mejoramiento. Los bancos de genes son un recurso importante para los mejoradores que buscan acceder a una amplia gama de diversidad genética. Ejemplos incluyen la Bóveda Global de Semillas de Svalbard en Noruega y los bancos de genes nacionales de todo el mundo.

El proceso de selección puede basarse en la observación visual, la medición de rasgos (por ejemplo, altura de la planta, tamaño de la fruta, rendimiento) o el análisis de laboratorio (por ejemplo, pruebas de resistencia a enfermedades o contenido nutricional). En algunos casos, los mejoradores utilizan la selección asistida por marcadores (MAS), una técnica que utiliza marcadores de ADN para identificar plantas que portan genes específicos para los rasgos deseados. MAS puede acelerar el proceso de mejoramiento y hacerlo más eficiente.

3. Realización de cruces

Después de seleccionar las plantas parentales, el siguiente paso es realizar cruces entre ellas. Esto implica transferir el polen del padre masculino al padre femenino. El método específico utilizado para el cruce depende de la especie de planta y su biología reproductiva. Algunas plantas son autopolinizantes, lo que significa que pueden fertilizarse a sí mismas. Otras son de polinización cruzada, lo que significa que requieren polen de otra planta para ser fertilizadas.

En las plantas de polinización cruzada, los mejoradores a menudo utilizan la polinización manual para controlar los cruces y garantizar que se utilicen los padres deseados. Esto implica retirar cuidadosamente las anteras (órganos productores de polen) del padre femenino para evitar la autopolinización y luego transferir el polen del padre masculino al estigma (la superficie receptiva de la flor femenina). Luego, las flores se cubren para evitar la polinización no deseada por otras plantas o insectos.

Las semillas producidas a partir de los cruces se denominan F1 (primera generación filial). Las plantas F1 son híbridas, lo que significa que tienen una combinación de genes de ambos padres. La generación F1 suele ser uniforme y puede exhibir vigor híbrido (heterosis), lo que significa que son más vigorosas y productivas que cualquiera de sus padres.

4. Evaluación y selección de la descendencia

El siguiente paso es cultivar las plantas F1 y evaluar su rendimiento. Esto implica plantar las semillas en un campo o invernadero y observar su crecimiento, desarrollo y rendimiento. Los mejoradores miden y registran cuidadosamente los datos sobre los rasgos de interés, como la altura de la planta, el momento de la floración, la resistencia a las enfermedades y el rendimiento. En algunos casos, también pueden realizar pruebas de laboratorio para evaluar el contenido nutricional o la calidad del cultivo.

En función de los datos recopilados, los mejoradores seleccionan las plantas de mejor rendimiento para usarlas como padres para la siguiente generación. Este proceso se repite durante varias generaciones, mejorando gradualmente los rasgos deseados en la población. En cada generación, los mejoradores seleccionan las plantas que mejor cumplen con los objetivos de mejora y desechan el resto.

El proceso de selección puede ser un desafío, ya que la generación F1 a menudo se segrega para varios rasgos. Esto significa que la descendencia de las plantas F1 exhibirá una amplia gama de variación, lo que dificulta la identificación de los mejores individuos. Los mejoradores a menudo cultivan grandes poblaciones de plantas para aumentar las posibilidades de encontrar la combinación deseada de rasgos.

5. Estabilización de la variedad

Después de varias generaciones de selección, las plantas resultantes serán más uniformes y estables para los rasgos deseados. Esto significa que la descendencia se parecerá más a sus padres. Para estabilizar una variedad, los mejoradores a menudo utilizan la endogamia, que implica cruzar plantas consigo mismas o con individuos estrechamente relacionados. La endogamia aumenta la homocigosidad de las plantas, lo que significa que tienen más copias idénticas de cada gen. Esto reduce la variación genética en la población y hace que la variedad sea más predecible.

La endogamia también puede tener efectos negativos, como la reducción del vigor y la fertilidad. Esto se conoce como depresión por endogamia. Para evitar la depresión por endogamia, los mejoradores a menudo utilizan otras técnicas, como el descenso de una sola semilla (SSD), que implica seleccionar una semilla de cada planta en cada generación. SSD permite a los mejoradores mantener una gran cantidad de diversidad genética y, al mismo tiempo, mejorar gradualmente los rasgos deseados.

6. Pruebas y liberación

Una vez que una variedad se ha estabilizado, debe probarse para garantizar que funcione bien en diferentes entornos y con diferentes prácticas de manejo. Esto implica realizar ensayos de campo en múltiples ubicaciones y comparar el rendimiento de la nueva variedad con las variedades existentes. Los ensayos están diseñados para evaluar el rendimiento, la resistencia a las enfermedades, la calidad y la adaptabilidad de la nueva variedad.

Si la nueva variedad funciona bien en los ensayos, puede ser liberada a los agricultores. El proceso de liberación normalmente implica obtener el registro o la certificación oficial de una agencia gubernamental. Esto garantiza que la variedad cumpla con ciertos estándares de calidad y rendimiento. Los mejoradores también necesitan desarrollar una estrategia para la producción y distribución de semillas para garantizar que los agricultores tengan acceso a la nueva variedad.

Ejemplos de historias de éxito de la selección artificial

La selección artificial ha sido fundamental para mejorar los cultivos y el ganado en todo el mundo. Aquí hay algunos ejemplos:

• Trigo: La selección artificial ha aumentado drásticamente los rendimientos de trigo en el último siglo. Las variedades modernas de trigo son más productivas, resistentes a las enfermedades y adaptadas a una gama más amplia de entornos que sus predecesoras. La Revolución Verde, liderada por Norman Borlaug, se basó en gran medida en la selección artificial de variedades de trigo de alto rendimiento para combatir el hambre en los países en desarrollo.
• Arroz: De manera similar al trigo, la selección artificial ha aumentado significativamente los rendimientos de arroz, particularmente en Asia. El desarrollo de variedades de arroz semienanas, como el IR8, fue un avance importante en la lucha contra la inseguridad alimentaria.
• Maíz (maíz): La selección artificial ha transformado el maíz de un cultivo relativamente improductivo a uno de los cultivos más importantes del mundo. Las variedades modernas de maíz son mucho más productivas, resistentes a las enfermedades y tolerantes al estrés que sus antepasados. El maíz híbrido, que se produce cruzando dos líneas endogámicas diferentes, exhibe altos niveles de vigor híbrido.
• Tomates: La selección artificial ha dado como resultado una amplia gama de variedades de tomate con diversas formas, tamaños, colores y sabores. Los mejoradores también han desarrollado variedades de tomate que son resistentes a enfermedades y plagas comunes.
• Ganado: La selección artificial se ha utilizado para mejorar la productividad y la calidad del ganado durante siglos. Por ejemplo, los mejoradores han seleccionado vacas que producen más leche, gallinas que ponen más huevos y cerdos que crecen más rápido y con menos grasa.

Estos son solo algunos ejemplos de las muchas historias de éxito de la selección artificial. La selección artificial ha jugado un papel crucial en la mejora de la seguridad alimentaria, la nutrición y los medios de vida en todo el mundo.

Ventajas y desventajas de la selección artificial

La selección artificial ofrece varias ventajas:

• Relativamente simple y económico: La selección artificial es una técnica relativamente simple y económica que puede ser utilizada por mejoradores con recursos limitados.
• Funciona dentro de la variación natural: La selección artificial funciona dentro de la variación genética natural ya presente dentro de una especie. Esto evita la necesidad de introducir genes extraños de otras especies.
• Puede mejorar múltiples rasgos simultáneamente: La selección artificial se puede utilizar para mejorar múltiples rasgos simultáneamente.
• Conduce a variedades estables: La selección artificial puede conducir al desarrollo de variedades estables que mantienen sus rasgos deseados durante muchas generaciones.

Sin embargo, la selección artificial también tiene algunas desventajas:

• Proceso lento: La selección artificial puede ser un proceso lento, que requiere muchas generaciones para lograr mejoras significativas.
• Limitado por la variación disponible: La selección artificial está limitada por la cantidad de variación genética disponible dentro de una especie. Si un rasgo deseado no está presente en la población, no se puede introducir solo mediante la selección artificial.
• Puede conducir a la depresión por endogamia: La endogamia, que a menudo se utiliza para estabilizar las variedades, puede conducir a la depresión por endogamia, lo que puede reducir el vigor y la fertilidad.
• Puede seleccionar involuntariamente rasgos indeseables: La selección artificial puede seleccionar involuntariamente rasgos indeseables que están vinculados a los rasgos deseados.

Técnicas modernas que complementan la selección artificial

Si bien la selección artificial tradicional sigue siendo fundamental, las tecnologías modernas mejoran su eficiencia y precisión:

Selección asistida por marcadores (MAS)

MAS utiliza marcadores de ADN vinculados a genes deseados para identificar plantas que poseen esos genes en una etapa temprana del desarrollo. Esto acelera el proceso de selección, especialmente para rasgos difíciles o costosos de medir directamente (por ejemplo, resistencia a enfermedades).

Genómica y Bioinformática

Los avances en genómica permiten a los mejoradores analizar todo el genoma de las plantas, identificando los genes que controlan rasgos importantes. Las herramientas de bioinformática se utilizan para gestionar y analizar las grandes cantidades de datos generados por los estudios genómicos.

Fenotipado de alto rendimiento

El fenotipado de alto rendimiento utiliza sistemas y sensores automatizados para medir rápidamente los rasgos de las plantas a gran escala. Esto permite a los mejoradores evaluar más plantas con mayor precisión, lo que mejora la eficiencia de la selección.

Haploides doblados

La tecnología de haploides doblados acelera el proceso de mejoramiento al crear plantas completamente homocigotas en una sola generación. Esto elimina la necesidad de múltiples generaciones de autopolinización para lograr la estabilidad.

Edición del genoma

Técnicas como CRISPR-Cas9 permiten a los mejoradores editar con precisión los genes de las plantas, introduciendo rasgos deseados o eliminando los indeseables. Si bien no es la selección artificial en sí misma, la edición del genoma puede complementar la selección artificial mediante la creación de una variación novedosa o la corrección de defectos.

El futuro del mejoramiento de plantas

El mejoramiento de plantas enfrenta numerosos desafíos en el siglo XXI, que incluyen:

• Cambio climático: Desarrollar variedades que se adapten a los climas cambiantes, incluido el aumento de la sequía, el calor y las inundaciones.
• Enfermedades y plagas emergentes: Desarrollar variedades que sean resistentes a enfermedades y plagas nuevas y en evolución.
• Demanda creciente de alimentos: Aumentar los rendimientos de los cultivos para satisfacer la creciente demanda de alimentos de una población mundial en crecimiento.
• Agricultura sostenible: Desarrollar variedades que sean más sostenibles, que requieran menos agua, fertilizantes y pesticidas.
• Seguridad nutricional: Mejorar el contenido nutricional de los cultivos para abordar la malnutrición y las deficiencias de micronutrientes. La biofortificación, el proceso de aumentar el contenido de nutrientes de los cultivos mediante el mejoramiento o la ingeniería genética, es una estrategia importante para mejorar la seguridad nutricional.

Para abordar estos desafíos, el mejoramiento de plantas deberá continuar innovando y adoptando nuevas tecnologías. Esto incluye el uso de técnicas avanzadas como la genómica, la edición de genes y el fenotipado de alto rendimiento. También requiere fomentar la colaboración entre los mejoradores, los investigadores y los agricultores para garantizar que las nuevas variedades estén bien adaptadas a las condiciones locales y satisfagan las necesidades de los agricultores.

Consideraciones éticas

El mejoramiento de plantas también plantea varias consideraciones éticas:

• Acceso a las semillas: Asegurar que los agricultores tengan acceso a semillas asequibles y de alta calidad. Las empresas de semillas a menudo patentan nuevas variedades, lo que puede restringir el acceso y aumentar el costo de las semillas.
• Diversidad genética: Conservar la diversidad genética en los cultivos. La adopción generalizada de algunas variedades de alto rendimiento puede conducir a una pérdida de diversidad genética, lo que hace que los cultivos sean más vulnerables a las enfermedades y plagas.
• Impacto en los pequeños agricultores: Asegurar que las nuevas variedades beneficien a los pequeños agricultores de los países en desarrollo. Algunas variedades nuevas pueden requerir insumos o prácticas de manejo costosos que no son accesibles para los pequeños agricultores.
• Transparencia y participación pública: Involucrar al público en las discusiones sobre el mejoramiento de plantas y asegurar que el proceso sea transparente y responsable.

Abordar estas consideraciones éticas es esencial para garantizar que el mejoramiento de plantas contribuya a un sistema alimentario más sostenible y equitativo.

Conclusión

La selección artificial es una herramienta poderosa para mejorar las plantas y ha jugado un papel vital en el aumento de la producción de alimentos y la mejora del bienestar humano. Al comprender los principios y técnicas de la selección artificial, los mejoradores pueden desarrollar variedades mejoradas que sean más productivas, resistentes a las enfermedades y adaptables a los entornos cambiantes. A medida que enfrentamos nuevos desafíos, como el cambio climático y una población mundial en crecimiento, el mejoramiento de plantas seguirá siendo esencial para garantizar la seguridad alimentaria y un futuro sostenible. La integración de las tecnologías modernas, combinada con un compromiso con las prácticas éticas y sostenibles, será crucial para maximizar los beneficios del mejoramiento de plantas para todos.