12.12: Aplicaciones Agrícolas de Organismos Genéticamente Modificados

Como se discute en la Sección 7.6 del Capítulo 7, los genes compuestos por ácido desoxirribonucleico, ADN, ubicados en los núcleos de las células dirigen la reproducción celular y síntesis de proteínas y generalmente dirigen las actividades del organismo. Los científicos de plantas ahora pueden modificar el ADN mediante procesos llamados tecnología de ADN recombinante. (Esta tecnología también se está aplicando en menor medida a los animales). La tecnología de ADN recombinante normalmente implica tomar una sola característica de un organismo, la capacidad de producir un insecticida sintetizado bacterialmente, por ejemplo, y empalmarlo en otro organismo. Al hacerlo, por ejemplo, el maíz y el algodón han sido genéticamente modificados para producir su propio insecticida. Las plantas producidas por este método se denominan plantas transgénicas. Durante la década de 1970, la capacidad de manipular el ADN a través de la ingeniería genética se hizo realidad, y durante la década de 1990, se convirtió en la base de una industria importante. Esta tecnología promete algunos desarrollos emocionantes en la agricultura y, de hecho, está conduciendo a una “segunda revolución verde”. La manipulación directa del ADN puede acelerar en gran medida el proceso de mejoramiento de plantas para dar plantas que son más productivas, resistentes a las enfermedades y tolerantes a condiciones adversas. En el futuro, incluso se pueden diseñar tipos de plantas completamente nuevos.

Las plantas son particularmente susceptibles de manipulación de ADN recombinante. En parte esto se debe a que un gran número de células vegetales se pueden cultivar en medios apropiados y se pueden seleccionar mutantes de miles de millones de células que tienen las propiedades deseadas, como la resistencia a virus. Las células vegetales individuales son capaces de generar plantas enteras, por lo que las células con las cualidades deseadas se pueden seleccionar y permitir que crezcan en plantas que puedan tener las cualidades deseadas. Idealmente, esto logra en semanas lo que las técnicas convencionales de fitomejoramiento requerirían décadas para hacer.

Los cultivos transgénicos tienen muchos detractores, y han estallado manifestaciones y se han probado parcelas de cultivos destruidos por personas que se oponen a lo que llaman “Frankenfoods”. La oposición ha sido especialmente fuerte en Europa, y la Comisión Europea, órgano ejecutivo de la Unión Europea, ha rechazado una serie de cultivos transgénicos. A pesar de estas preocupaciones, los cultivos transgénicos están creciendo en importancia y se han utilizado ampliamente en países altamente poblados, particularmente China, donde son vistos como un medio de alimentación de poblaciones muy grandes.

Los principales cultivos transgénicos y sus características

Las dos características más comúnmente desarrolladas en cultivos transgénicos es la tolerancia a herbicidas que matan las malas hierbas competidoras y la resistencia a plagas, especialmente insectos, pero incluyendo plagas microbianas (virus) también. En los primeros años de las plantaciones de cultivos transgénicos la mayoría de los cultivos tenían rasgos solo por una de estas características, pero en años más recientes las llamadas variedades apiladas con dos o más características se han vuelto más comunes y ahora comprenden el sector de cultivos transgénicos de más rápido crecimiento. A partir de 2008, las áreas terrestres sembradas para cultivos transgénicos en los ocho países líderes fueron las siguientes (millones de hectáreas entre paréntesis): Estados Unidos (62.5), Argentina (21.0), Brasil (15.8), India (7.6), Canadá (7.6), China (3.8), Paraguay (2.7) y Sudáfrica (1.8 millones de hectáreas). Los cultivos biotecnológicos más comunes son los siguientes (hectáreas sembradas en 2008 entre paréntesis): Soja (65.8), maíz (maíz, 37.5), algodón (15.5) y canola (5.9). La tolerancia a herbicidas ha sido el rasgo biotecnológico predominante con 79 millones de hectáreas (de un total global de 125 millones de hectáreas), a continuación fueron rasgos apilados (27 millones de hectáreas), luego resistencia a insectos (19 millones de hectáreas).

En 2010 Monsanto y Dow Agrosciences introdujeron maíz transgénico apilado con 8 características incluyendo resistencia a insectos por encima y por debajo del suelo, así como tolerancia a algunos herbicidas comunes. Se afirma que esta variedad reducirá el área de refugio para la siembra de maíz de 20% a 5%. (El refugio es una fracción del área de un cultivo que se planta a cultivos no transgénicos para generar suficientes insectos susceptibles a insecticidas para diluir los resistentes que eventualmente se desarrollan en las áreas transgénicas. El fundamento de este enfoque es que los insectos que crecen en áreas de refugio sin ningún incentivo para desarrollar resistencia se cruzarán con cepas resistentes, evitando que se vuelvan dominantes.) Además de la resistencia a plagas y tolerancia a herbicidas, se espera que los futuros cultivos transgénicos apilados tengan características como resistencia a la sequía, alta producción de lípidos omega-3 en soja y niveles elevados de Provitamina A en Arroz Dorado.

La disrupción de los ecosistemas naturales por el cultivo de tierra y la siembra de cultivos agrícolas brinda una excelente oportunidad para que las plantas oportunistas —malas hierbas— crezcan en competencia con los cultivos deseados. Para combatir las malas hierbas, los agricultores utilizan grandes cantidades de una variedad de herbicidas. El uso intensivo de herbicidas plantea un conjunto de problemas desafiantes. En muchos casos, para ser efectivos sin causar daños ambientales indebidos, los herbicidas deben aplicarse de formas específicas y en momentos particulares. Los daños colaterales a las plantas de cultivo, el daño ambiental y la mala biodegradación que conducen a la acumulación de residuos de herbicidas y la contaminación del suministro de agua son problemas con los herbicidas. Varios de estos problemas pueden ser disminuidos plantando cultivos transgénicos que sean resistentes a herbicidas particulares discutidos anteriormente. Las plantas más comunes son las resistentes al herbicida Roundup de Monsanto (glifosato, fórmula estructural que se muestra en la Sección 12.1).

Este compuesto ampliamente utilizado es un herbicida de amplio espectro, lo que significa que mata a la mayoría de las plantas con las que entra en contacto. Una de sus ventajas desde el punto de vista ambiental es que rápidamente se descompone en productos inocuos en el suelo, minimizando su impacto ambiental y los problemas con el arrastre de residuos. Mediante el uso de cultivos “Roundup Ready”, de los cuales, con mucho, los más comunes son las sojas transgénicas, el herbicida se puede aplicar directamente al cultivo, matando las malas hierbas competidoras. Aplicación cuando las plantas de cultivo son relativamente pequeñas, pero después de que las malas hierbas hayan tenido la oportunidad de comenzar a crecer, mata las malas hierbas y permite que el cultivo tenga una ventaja inicial. Después de que el cultivo haya desarrollado un tamaño significativo, disuade el crecimiento de malezas competidoras por la sombra que priva a las malas hierbas de la luz solar.

Aparte de las malas hierbas, la otra clase importante de plagas que afligen a los cultivos consiste en una variedad de insectos. Dos de los más dañinos de estos son el barrenador europeo del maíz y el gusano de la bollworm del algodón, que cuestan millones de dólares en daños y medidas de control cada año e incluso pueden amenazar la producción de cultivos de todo un año. Incluso antes de que los cultivos transgénicos estuvieran disponibles, se utilizó Bacillus thuringiensis (Bt) para controlar insectos. Esta bacteria que habita en el suelo produce una proteína llamada delta-endotoxina. Ingerida por insectos, la delta-endotoxina digiere parcialmente las paredes intestinales de los insectos causando desequilibrio iónico, paralizando el sistema y eventualmente matando a los insectos. Afortunadamente, la toxina no afecta a los mamíferos ni a las aves. Bt ha sido un insecticida popular porque como producto natural se degrada fácilmente y ha ganado la aceptación que a menudo se otorga a los materiales “naturales” (muchos de los cuales son mortales).

Las técnicas de ingeniería genética han permitido trasplantar genes a cultivos de campo que producen Bt. Esta es una circunstancia ideal en que el cultivo que se está protegiendo está generando su propio insecticida, y el insecticida no se extiende por una amplia área. Existen varias variedades de Bt insecticida, cada una producida por un gen único. Varias plagas insecticidas están bien controladas por Bt transgénico. Además del barrenador de maíz europeo mencionado anteriormente, estos incluyen el barrenador del maíz del suroeste y la lombriz del maíz. Las variedades de algodón que producen Bt son resistentes al gusano del algodón. El tabaco productor de BT resiste al gusano de la yema del tabaco. Se han desarrollado variedades de papa que producen Bt para matar al escarabajo de la papa de Colorado, aunque este cultivo ha sido limitado por preocupaciones con respecto a Bt en el producto de papa consumido directamente por los humanos. Aunque los sistemas digestivos humanos no se ven afectados negativamente por Bt, existe preocupación por que sea un alérgeno debido a su naturaleza proteinácea.

La resistencia a virus en cultivos transgénicos se ha concentrado en la papaya. Esta fruta tropical es una excelente fuente de Vitaminas A y C y es una planta nutritiva importante en las regiones tropicales. El virus de la mancha anular de la papaya es una plaga devastadora para la papaya, y las variedades transgénicas resistentes a este virus ahora se cultivan en Hawai. Una preocupación con los cultivos transgénicos resistentes a virus es la posibilidad de transferencia de genes responsables de la resistencia a parientes silvestres de las plantas que son consideradas como malezas, pero que ahora son mantenidas bajo control por los virus. Por ejemplo, es posible que los genes resistentes a virus en la calabaza transgénica puedan transferirse a calabazas competidoras, lo que desplazaría a la calabaza cultivada para alimentarse.

Cultivos Futuros

Los primeros años de los cultivos transgénicos pueden resumirse bastante bien por la soja, el maíz y el algodón resistentes a herbicidas e insectos. En retrospectiva, es casi seguro que estos cultivos parecerán bastante crudos y poco sofisticados. En parte, esta falta de sofisticación se debe a que los genes que producen las cualidades deseadas son expresados en gran medida por todos los tejidos de las plantas y a lo largo de su ciclo de crecimiento, dando lugar a problemas como el polen de maíz contaminado con BT que puede amenazar a las mariposas monarca o que contienen BT papas que pueden no ser aptas para el consumo humano. Se prevé que técnicas cada vez más sofisticadas superarán este tipo de problemas y conducirán a variedades de cultivos mucho mejores en el futuro.

Hay muchos aspectos potenciales de la química verde de la ingeniería genética de los cultivos agrícolas. Una posibilidad prometedora es aumentar la eficiencia de la fotosíntesis, que es solo de unas pocas décimas de porcentaje en la mayoría de las plantas. La duplicación de esta eficiencia debería ser posible con técnicas de ADN recombinante, lo que podría incrementar significativamente la producción de alimentos y biomasa por parte de las plantas. Por ejemplo, con algunas de las especies de plantas más productivas, como los álamo híbridos de rápido crecimiento y la caña de azúcar, la biomasa es competitiva con los combustibles fósiles como fuente de energía. Un aumento de la eficiencia de la fotosíntesis por ingeniería genética podría permitir que la biomasa reemplace económicamente el costoso petróleo y el gas natural por combustible y materia prima. Una segunda posibilidad con la ingeniería genética es el desarrollo de la capacidad de soportar bacterias fijadoras de nitrógeno en las raíces de las plantas que no pueden hacerlo ahora. Si el maíz, el arroz, el trigo y el algodón pudieran desarrollarse con esta capacidad, se podrían ahorrar enormes cantidades de energía y gas natural (una fuente de hidrógeno elemental) que ahora se consume para hacer amoníaco sintéticamente.

Una amplia gama de otros cultivos transgénicos están en desarrollo. Un cultivo ampliamente publicitado es el “arroz dorado” que incorpora β-caroteno en el grano, que por lo tanto es amarillo, en lugar del color blanco normal del arroz. El cuerpo humano procesa β-caroteno a vitamina A, cuya falta afecta la visión y aumenta la susceptibilidad a enfermedades como enfermedades respiratorias, sarampión y diarrea. Dado que el arroz es el principal alimento básico en muchos países asiáticos, la distribución generalizada del arroz dorado podría mejorar sustancialmente la salud. Como ejemplo de las complejidades de los cultivos transgénicos, dos de los genes utilizados para criar arroz dorado fueron tomados de narciso y ¡uno de una bacteria! Algunos investigadores sostienen que los humanos no pueden consumir suficiente de este arroz para proporcionar una cantidad significativa de Vitamina A.

A partir de 2010, la alfalfa transgénica y la remolacha azucarera resistentes al herbicida glifosato estaban siendo promovidas para uso agrícola. La alfalfa es un nutritivo cultivo forrajero para alimentación animal, una leguminosa que crece sinérgicamente con bacterias Rhizobium fijadoras de nitrógeno que crecen en nódulos adheridos a sus raíces. En 2010 la Corte Suprema de Estados Unidos revocó una decisión de un tribunal inferior que había impedido la distribución generalizada de estos cultivos debido a la posibilidad de que sus cualidades resistentes al glifosato pudieran extenderse a otras plantas y violar las restricciones a los alimentos designados como “orgánicos” y que algunos países han puesto en lugar contra todos los alimentos transgénicos.

Continúan los trabajos para mejorar los cultivos transgénicos oleaginosos. El que más atención recibe es la canola, la fuente del aceite de canola. Se están realizando esfuerzos para modificar la distribución de aceites en canola para mejorar el valor nutricional del aceite. Otra posibilidad es aumentar el contenido de Vitamina E en la canola transgénica. El girasol, otra fuente de aceites vegetales, es objeto de investigaciones diseñadas para producir variedades transgénicas mejoradas. La tolerancia a herbicidas y la resistencia al moho blanco se encuentran entre las propiedades que se están desarrollando en girasoles transgénicos.

El café y el té descafeinados se han convertido en bebidas importantes. Desafortunadamente, los procesos que eliminan la cafeína de los granos de café y las hojas de té también eliminan el sabor, y algunos de estos procesos utilizan solventes orgánicos que pueden dejar residuos indeseables. Ahora se han identificado los genes que producen cafeína en las hojas de café y té, y es posible que se eliminen o apaguen en las plantas para producir granos de café y hojas de té que dan productos de sabor completo sin la cafeína. Se están realizando esfuerzos adicionales para diseñar genéticamente los cafetales en los que todos los granos maduran a la vez, eliminando así las múltiples cosechas que ahora se requieren debido a que los granos maduran en diferentes momentos.

Si bien el césped para césped no sería considerado como un cultivo esencial, se consumen enormes cantidades de agua y fertilizantes para mantener el césped y la hierba en campos de golf y otros lugares. La hierba sana sin duda contribuye a la estética “verde” de una comunidad. Además, herbicidas, insecticidas y fungicidas aplicados al césped dejan residuos que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente. Por lo que el desarrollo de variedades transgénicas mejoradas de pasto y otros cultivos de cobertura vegetal puede ser bastante útil. Hay muchas propiedades deseables que pueden beneficiar al pasto. Se incluyen tolerancias para condiciones adversas de agua y temperatura, especialmente resistencia al calor y sequía. La resistencia a enfermedades e insectos son deseables. La reducción de las tasas de crecimiento puede significar menos corte, ahorrando energía. Para el pasto utilizado en vías fluviales construidas para drenar el exceso de escorrentía de lluvia de áreas aterrazadas (ver Figura 11.6) es muy deseable un césped duro y resistente a la erosión compuesto por masas de raíces de pasto. Se están realizando investigaciones para criar variedades transgénicas de pasto con algunas de estas propiedades. Además, el pasto está siendo genéticamente diseñado para inmunidad a los efectos del herbicida Roundup (ver arriba), el cual es ambientalmente más benigno que algunos de los herbicidas como el 2,4-D que se usan actualmente en el pasto.

Una posibilidad interesante para los alimentos transgénicos es producir alimentos que contengan vacunas contra enfermedades. Esto es posible porque los genes producen proteínas que se asemejan a las proteínas en los agentes infecciosos, haciendo que el cuerpo produzca anticuerpos contra dichos agentes. Las enfermedades para las que pueden ser posibles tales vacunas incluyen cólera, hepatitis B y diversos tipos de diarrea. El principal candidato como portador de este tipo de vacunas es el plátano. Esto se debe a que a los niños generalmente les gustan los plátanos y esta fruta se cultiva fácilmente en algunas de las regiones tropicales donde la necesidad de vacunas es mayor.