14.3: Mejoramiento Selectivo e Ingeniería Genética
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El desarrollo de una nueva variedad de cultivo es un ejemplo de biotecnología agrícola, una gama de herramientas que incluyen tanto técnicas de mejoramiento tradicionales como métodos más modernos basados en laboratorio. Los métodos tradicionales se remontan a miles de años, mientras que la biotecnología utiliza las herramientas de ingeniería genética desarrolladas en las últimas décadas.
Cría Selectiva (Selección Artificial)
Casi todas las frutas y verduras que se encuentran en su mercado local no se producirían de forma natural. De hecho, existen sólo por la intervención humana que comenzó hace miles de años. Los humanos crearon la gran mayoría de las especies de cultivos mediante el uso de prácticas tradicionales de reproducción en plantas silvestres naturales. Estas prácticas se basan en la reproducción selectiva (selección artificial), la reproducción facilitada por el ser humano de individuos con rasgos deseables. Por ejemplo, se produjeron variedades de alto rendimiento mediante mejoramiento selectivo. Las prácticas tradicionales de reproducción, aunque de baja tecnología y sencillas de realizar, tienen el resultado práctico de modificar la información genética de un organismo, produciendo así nuevos rasgos.
La reproducción selectiva está limitada, sin embargo, por el ciclo de vida de la planta y las variantes genéticas que están presentes de forma natural. Por ejemplo, incluso la variedad de maíz de floración más rápida tiene un tiempo de generación de 60 días (el tiempo requerido para que una semilla germine, produzca una planta madura, se polinice y finalmente produzca más semillas) en perfectas condiciones. Cada generación brinda la oportunidad de criar selectivamente plantas individuales y generar semillas que están un poco más cerca del resultado deseado (por ejemplo, producir granos más grandes y jugosos). Además, si ningún individuo posee variantes genéticas que den como resultado granos más grandes y jugosos, no es posible seleccionar artificialmente este rasgo. Por último, la cría tradicional baraja todos los genes entre los dos individuos que se están criando, que pueden ascender a decenas de miles (el maíz, por ejemplo, tiene 32 mil genes). Al mezclar una cantidad tan grande de genes, los resultados pueden ser impredecibles.
Un ejemplo interesante es el maíz (maíz). Los biólogos han descubierto que el maíz se desarrolló a partir de una planta silvestre llamada teosinte. A través de prácticas tradicionales de mejoramiento, los humanos que vivían hace miles de años en lo que hoy es el sur de México comenzaron a seleccionar por rasgos deseables hasta que pudieron transformar la planta en lo que hoy se conoce como maíz (figura\(\PageIndex{a}\)). Al hacerlo, alteraron permanentemente (y sin saberlo) sus instrucciones genéticas.
Esta historia de modificación genética es común a casi todas las especies de cultivos. Por ejemplo, col, brócoli, coles de Bruselas, coliflor y col rizada se desarrollaron a partir de una sola especie de planta de mostaza silvestre (figura\(\PageIndex{b}\)). La solanácea silvestre fue la fuente de tomates, berenjenas, tabaco y papas, esta última desarrollada por humanos hace 7.000 — 10,000 años en Sudamérica.
Ingeniería Genética
La ingeniería genética es el proceso de alterar directamente el ADN de un organismo para producir los cultivos deseados más rápidamente que la cría selectiva. Debido a que los genes pueden obtenerse de otras especies o incluso sintetizarse en el laboratorio, los científicos no están limitados por la variación genética existente dentro de una especie de cultivo (o especies estrechamente relacionadas con las que pueden cruzarse). Esto amplía los posibles rasgos que se pueden agregar a los cultivos. La ingeniería genética moderna es más precisa que la cría selectiva en el sentido de que los biólogos pueden modificar un solo gen. Además, la ingeniería genética puede introducir un gen entre dos especies distantemente relacionadas, como insertar un gen bacteriano en una planta (figura\(\PageIndex{c}\)).
Los organismos genéticamente modificados (OGM) son aquellos que han tenido su ADN alterado a través de la ingeniería genética. Los cultivos genéticamente modificados a veces se denominan cultivos genéticamente modificados (GE). Los organismos transgénicos son un tipo de organismo genéticamente modificado que contiene genes de una especie diferente. Debido a que contienen combinaciones únicas de genes y no están restringidas al laboratorio, las plantas transgénicas y otros OGM son monitoreados de cerca por organismos gubernamentales para garantizar que sean aptos para el consumo humano y no pongan en peligro la vida de otras plantas y animales. Debido a que estos genes extraños (transgenes) pueden propagarse a otras especies del ambiente, particularmente en el polen y semillas de las plantas, se requieren pruebas extensas para asegurar la estabilidad ecológica.
Cómo modificar genéticamente las células vegetales
El ADN se puede insertar en las células vegetales a través de diversas técnicas. Por ejemplo, una pistola génica impulsa ADN unido a partículas de oro hacia las células vegetales. (El ADN tiene carga negativa y se adhiere al oro cargado positivamente). Un enfoque más tradicional emplea el patógeno vegetal Agrobacterium tumefaciens (figura\(\PageIndex{d}\)). Ordinariamente, esta bacteria causa la enfermedad de la agalla de la corona en las plantas al insertar una pieza circular de ADN, llamada plásmido Ti, en las células vegetales. Este ADN incorpora a los cromosomas vegetales, dándoles genes para producir la hiel (figura\(\PageIndex{e}\)), lo que proporciona un hogar para el patógeno bacteriano.
Los científicos alteran el proceso por el cual Agrobacterium infecta y altera genéticamente las células vegetales para producir plantas genéticamente modificadas con rasgos agrícolamente beneficiosos de la siguiente manera (figura\(\PageIndex{f}\)):
- El ADN-T, que codifica para la vesícula de la corona, se elimina del plásmido Ti, y se agregan los genes para los rasgos deseados.
- El plásmido modificado se añade luego de nuevo a Agrobacterium.
- Agrobacterium infecta células vegetales indiferenciadas (células madre que pueden desarrollarse en cualquier parte de la planta; figura\(\PageIndex{g}\)).
- A las células vegetales modificadas se les dan hormonas para producir toda la planta.
Ejemplos de Cultivos Genéticamente Modificados
Muchos cultivos genéticamente modificados han sido aprobados en Estados Unidos y producen nuestros alimentos. El primer organismo genéticamente modificado aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) en 1994 fueron los tomates Flavr Savr™, los cuales tienen una vida útil más larga (podredumbre retardada) debido a que un gen responsable de descomponer las células se inhibió. Los tomates Flavr Savr están modificados genéticamente (porque su ADN ha sido alterado) pero no son trasgénicos (porque no contienen genes de otra especie). El tomate Flavr Savr no se quedó exitosamente en el mercado debido a problemas de mantenimiento y envío del cultivo. El arroz dorado produce β-caroteno, precursor de la vitamina A (figura\(\PageIndex{h}\); β-caroteno también se encuentra en altas concentraciones en zanahorias, batatas y melón, dándoles su color naranja). El maíz, el algodón y la soja Roundup Ready® son resistentes a este herbicida común, lo que facilita rociarlo uniformemente en un campo para matar las malas hierbas sin dañar los cultivos (figura\(\PageIndex{i}\)).
Los cultivos también han sido diseñados para producir insecticidas. Bacillus thuringiensis (Bt) es una bacteria que produce cristales proteicos que son tóxicos para muchas especies de insectos que se alimentan de plantas. Los insectos que han comido la toxina Bt dejan de alimentarse de las plantas en pocas horas. Después de que la toxina se activa en los intestinos de los insectos, la muerte ocurre dentro de un par de días. El gen para producir la toxina Bt se ha agregado a muchos cultivos incluyendo maíz (figura\(\PageIndex{j}\)), papa y algodón, proporcionando a las plantas una defensa contra los insectos.
Los alimentos genéticamente modificados están muy extendidos en Estados Unidos. Por ejemplo, 94% de los cultivos de soya fueron modificados genéticamente para resistencia a herbicidas en 2020. De igual manera, 8% de los cultivos de algodón y 10% de maíz fueron modificados para resistencia a herbicidas además del 83% de algodón y 79% de los cultivos de maíz que fueron modificados genéticamente de múltiples maneras.
Los animales genéticamente modificados también han ingresado recientemente al mercado. Los salmones AquaAdvantage® se modifican para crecer más rápidamente y fueron aprobados en noviembre de 2015. No obstante, a marzo de 2021, aún no se han vendido por impugnaciones legales. En 2020, la FDA aprobó cerdos GalSafe™ para la producción de medicamentos y alimentos. Estos cerdos carecen de una molécula en el exterior de sus células que cause alergias en algunas personas.
Ventajas de los Cultivos Genéticamente Modificados
Los avances en biotecnología pueden proporcionar a los consumidores alimentos enriquecidos nutricionalmente, de mayor duración o que contienen niveles más bajos de ciertas toxinas naturales presentes en algunas plantas alimenticias. Por ejemplo, los investigadores están utilizando la biotecnología para tratar de reducir las grasas saturadas en los aceites de cocina y reducir los alérgenos en los alimentos. Queda por ver si estos beneficios llegarán a las personas que más los necesitan. Si bien cultivar arroz dorado podría abordar la deficiencia de vitamina A en millones de personas, históricamente no ha sido accesible para estas personas porque es patentado y costoso. De igual manera, las semillas genéticamente modificadas podrían incrementar los ingresos de los agricultores empobrecidos si estuvieran disponibles a bajo o ningún costo, pero no siempre es así.
Las papayas Rainbow y SunUp son una historia de éxito de cómo los cultivos genéticamente modificados pueden beneficiar a los pequeños agricultores y a la economía en general. A principios de la década de 1990, una enfermedad emergente estaba destruyendo la producción de papaya en Hawái y amenazaba con diezmar la industria de 11 millones de dólares (cifra\(\PageIndex{k}\)). Afortunadamente, un hombre llamado Dennis Gonsalves (figura\(\PageIndex{l}\)), quien fue criado en una plantación de azúcar y luego se convirtió en fisiólogo de plantas en la Universidad de Cornell, desarrollaría plantas de papaya genéticamente diseñadas para resistir el mortal virus. Al final de la década, la industria de la papaya hawaiana y los medios de vida de muchos agricultores se salvaron gracias a la distribución gratuita de las semillas del Dr. Gonsalves.
El efecto de los cultivos genéticamente modificados sobre el medio ambiente depende de la modificación genética específica y de qué prácticas agrícolas promueve. Por ejemplo, los cultivos de Bt producen sus propios insecticidas de tal manera que la aplicación externa de estos químicos es innecesaria, reduciendo los impactos negativos de la agricultura industrial. La investigación en curso está explorando si los cultivos pueden diseñarse para fijar el nitrógeno en la atmósfera (como lo hacen algunas bacterias) en lugar de depender del amonio, los nitritos y los nitratos en el suelo. Si estos cultivos se diseñaran con éxito, podrían reducir la aplicación de fertilizantes sintéticos y minimizar la escorrentía de nutrientes que conduce a la eutrofización.
Los cultivos genéticamente modificados pueden tener el potencial de conservar los recursos naturales, permitir que los animales utilicen de manera más efectiva los nutrientes presentes en los piensos y ayudar a satisfacer las crecientes demandas mundiales de alimentos y tierras. En la práctica, sin embargo, los países que utilizan cultivos genéticamente modificados comparados con aquellos que no sólo disfrutan de un ligero (o inexistente) incremento en el rendimiento.
Desventajas de los cultivos genéticamente modificados
Preocupaciones sociales
Los derechos de propiedad intelectual son uno de los factores importantes en el debate actual sobre cultivos genéticamente modificados. Los cultivos genéticamente modificados pueden ser patentados por los agronegocios, lo que puede llevar a que controlen y exploten potencialmente los mercados agrícolas. Algunos acusan a empresas, como Monsanto, de presuntamente controlar la producción de semillas y los precios, mucho en detrimento de los agricultores (cifra\(\PageIndex{m}\)).
Preocupaciones Ambientales
Los cultivos genéticamente modificados presentan diversas preocupaciones ambientales. El monocultivo ya reduce la biodiversidad, y el cultivo de cultivos genéticamente modificados, para los cuales las plantas individuales son bastante similares genéticamente, lo exacerba. El uso de cultivos Roundup Ready ® fomenta naturalmente el uso generalizado de herbicidas, lo que podría matar involuntariamente a las plantas nativas cercanas. Esta práctica también aumentaría los residuos de herbicidas en los productos. Si bien los cultivos Bt son beneficiosos en el sentido de que no requieren la aplicación externa de insecticidas, pero la toxina Bt se propaga en su polen. Un estudio temprano encontró que el polen de maíz Bt puede ser dañino para las orugas monarca (figura\(\PageIndex{n}\)), pero solo a concentraciones que rara vez se alcanzan en la naturaleza. Los estudios de seguimiento encontraron que la mayor parte del maíz Bt cultivado no dañó a los monarcas; sin embargo, la única cepa de maíz Bt fue consecuentemente eliminada del mercado.
A través del mestizaje, o hibridación, los cultivos genéticamente modificados pueden compartir sus transgenes con parientes silvestres. Esto podría afectar la genética de esos parientes salvajes y tener consecuencias imprevistas en sus poblaciones e incluso podría tener implicaciones para el ecosistema más amplio. Por ejemplo, si un gen diseñado para conferir resistencia a herbicidas pasara de un cultivo genéticamente modificado a un pariente silvestre, podría transformar la especie silvestre en una súper maleza, una especie que no podría ser controlada por herbicida. Su crecimiento desenfrenado podría entonces desplazar a otras especies silvestres y a la vida silvestre que depende de ella, inflexionando así el daño ecológico.
Los genes escapados no sólo podían alterar las especies malezas, sino que también podían ingresar a poblaciones de especies nativas. Esto podría hacer que algunas especies nativas fueran mejores competidoras de lo que eran anteriormente, alterando la dinámica de los ecosistemas. (Podrían potencialmente superar a otras especies nativas con las que de otra manera coexistirían).
Si bien hay evidencia de transferencia genética entre cultivos genéticamente modificados y parientes silvestres, aún no hay evidencia de daño ecológico de esa transferencia. Claramente, se justifica el monitoreo continuo, especialmente para los cultivos recién desarrollados.
El escape de animales genéticamente modificados también tiene potencial para perturbar los ecosistemas. Por ejemplo, si el salmón AquaAdvantage escapara al ecosistema natural, como suelen hacer los peces de piscifactoría, podrían superar al salmón nativo, incluidas las especies en peligro de extinción. Su modificación genética, que facilita un rápido crecimiento, podría resultar en una ventaja competitiva.
Preocupaciones de salud
Además de los riesgos ambientales, algunas personas están preocupadas por los posibles riesgos para la salud de los cultivos genéticamente modificados porque sienten que la modificación genética altera las propiedades intrínsecas, o esencia, de un organismo. Como se discutió anteriormente, sin embargo, se sabe que tanto las prácticas tradicionales de mejoramiento genético como la ingeniería genética moderna producen cambios genéticos permanentes. Además, la cría selectiva en realidad tiene un impacto mayor e impredecible en la genética de una especie debido a su naturaleza comparablemente cruda.
Para abordar estas preocupaciones (y otras), las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de Estados Unidos (NASEM) publicaron en 2016 un informe integral de 500 páginas que resume los conocimientos científicos actuales sobre cultivos genéticamente modificados. El informe, titulado Genetic Engineered Crops: Experiences and Prospects, revisó más de 900 artículos de investigación, además de comentarios públicos y testimonios de expertos. El Informe de Cultivos GE de NASEM encontró “no hay evidencia fundamentada de una diferencia en los riesgos para la salud humana entre los cultivos genéticamente modificados (GE) disponibles comercialmente actuales y los cultivos criados convencionalmente, ni encontró evidencia concluyente de causa y efecto de problemas ambientales de los cultivos GE”. Adicionalmente, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura ha concluido que los riesgos para la salud humana y animal por el uso de OGM son insignificantes. El consenso científico sobre los cultivos genéticamente modificados es bastante claro: son seguros para el consumo humano.
El potencial de los cultivos genéticamente modificados para ser alergénicos es uno de los posibles efectos adversos para la salud, y debe continuar estudiándose, especialmente porque algunas evidencias científicas indican que los animales alimentados con cultivos genéticamente modificados han sido perjudicados. GE Crop Report de NASEM concluyó que al desarrollar nuevos cultivos, es el producto que debe estudiarse por posibles riesgos para la salud y el medio ambiente, no el proceso que logró ese producto. Lo que esto significa es que, debido a que tanto las prácticas tradicionales de reproducción como la ingeniería genética moderna producen nuevos rasgos a través de la modificación genética, ambas presentan riesgos potenciales. Por lo tanto, para la seguridad del medio ambiente y la salud humana, ambos deben ser adecuadamente estudiados.
¿Son los cultivos genéticamente modificados la solución que necesitamos?
Se han destinado importantes recursos, tanto financieros como intelectuales, para responder a la pregunta: ¿los cultivos genéticamente modificados son seguros para el consumo humano? Después de muchos cientos de estudios científicos, la respuesta es sí. Pero aún queda una pregunta importante: ¿son necesarias? Ciertamente, como en instancias como la papaya de Hawai, que se vieron amenazadas de erradicación por una enfermedad agresiva, la ingeniería genética fue una solución rápida y efectiva que habría sido extremadamente difícil, si no imposible, de resolver utilizando prácticas tradicionales de mejoramiento.
Sin embargo, en muchos casos, las primeras promesas de los cultivos genéticamente modificados —que mejorarían la calidad nutricional de los alimentos, conferirían resistencia a enfermedades y proporcionarían avances incomparables en los rendimientos de los cultivos— no han logrado en gran medida llegar a buen término. El Informe de Cultivos GE de NASEM afirma que si bien los cultivos genéticamente modificados han resultado en la reducción de la pérdida agrícola por plagas, la reducción del uso de pesticidas y la reducción de las tasas de lesiones por insecticidas para los trabajadores agrícolas, no han aumentado la tasa a la que los rendimientos de los cultivos están avanzando en comparación con los no GE cultivos. Adicionalmente, si bien hay algunas excepciones notables como el arroz dorado o las papayas resistentes a virus, se han producido muy pocos cultivos genéticamente modificados para aumentar la capacidad nutricional o para prevenir enfermedades de las plantas que pueden devastar los ingresos de un agricultor y reducir la seguridad alimentaria. La gran mayoría de los cultivos genéticamente modificados se desarrollan con solo dos propósitos: introducir resistencia a herbicidas o resistencia a plagas. Los cultivos genéticamente modificados se concentran en los países desarrollados, y su disponibilidad en los países en desarrollo, donde quizás son más necesarios, es limitada (cifra\(\PageIndex{o}\)).
Lectura suplementaria sugerida
NASEM. 2016. Cultivos Genéticamente Genéticos: Experiencias y Perspectivas.
Atribuciones
Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:
- Biotecnología e Ingeniería Genética de Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
- Biotecnología en Medicina y Agricultura a partir de Conceptos en Biología por OpenStax (licenciado bajo CC-BY)