BIOGENIC Biólogos Genetistas Colombianos

Las Plantas y el Sexo

Aunque el tema de la clonación ha estado históricamente en el inconsciente colectivo asociado a la ciencia ficción, sus aplicaciones agrícolas son tan antiguas como la agricultura misma. Para muchos de nosotros la palabra clonación puede desencadenar una serie de temores y curiosidades, sin embargo, la clonación es un fenómeno natural que el hombre ha logrado aprovechar abriendo así perspectivas de extraordinaria utilidad para la humanidad. Aunque nadie puede negar algunos riesgos potenciales. En este breve ensayo se pretende explorar las características naturales de la clonación en plantas, como el hombre ha aprendido a manipular este proceso natural para el desarrollo de la agricultura, cuáles han sido sus consecuencias positivas y como se han mitigado algunos de los aspectos negativos.

En nuestro pasado artículo de temporada veíamos que en el reino vegetal la clonación es un proceso natural [1]. Este fenómeno ha sido utilizado por el ser humano para perpetuar a través de las generaciones plantas con características deseadas. Sin embargo, en muchas especies con interés agrícola, la clonación tradicional resulta un proceso ineficiente. Un ejemplo de esto son el trigo, el maíz y el arroz, los principales cereales de la humanidad. Aunque si bien es cierto que estas plantas podrían llegarse a clonar a través de complejos sistemas de reproducción in vitro (algo así como una reproducción asistida); los altos costos involucrados en estos procedimientos lo hacen poco viable.

Sin embargo, si nuestro objetivo es el de perpetuar la mayoría de las características en un genotipo través de las generaciones, la clonación no es el único mecanismo que el reino vegetal nos ofrece. Algunas plantas pueden producir semilla fertilizándose a sí misma (autogamia). Así pues, tras cuatro generaciones de auto-fertilización la homocigosis se incrementa un 93.75% para un gen con dos alelos. En homocigosis los genes localizados en un par cromosómico son idénticos, de tal forma que los hijos de una planta autógama en un alto grado de homocigosis, serán virtualmente idénticos al padre. Aunque estas plantas técnicamente no son un clon, en términos prácticos podrían considerarse como tales. Este sistema reproductivo es de mucha importancia en plantas como el trigo, el arroz, y la cebada en donde una vez lograda una planta con las características de producción deseada y con un alto grado de homocigosis, los agricultores pueden utilizar indefinidamente esta semilla sin el riesgo de perder las características deseadas a través de las generaciones [2].

Por otro lado, en algunas plantas no es posible ni desarrollar la clonación, ni perpetuar genotipos deseados a través de auto-fertilización. El mejor ejemplo es el caso del maíz, el cual necesitan de la fertilización por parte de otra planta (alogamia) para que la semilla se desarrolle [2]. Es importante anotar, que aunque en plantas como el maíz se puede combinar ambas estrategias reproductivas, usualmente la alogamia tiende a ser dominante. Además, en caso de presentarse la auto-fertilización, la descendencia que producirán sus semillas tiende a ser menos vigorosa. Esto es debido a que la mayoría de las plantas alógamas presentan susceptibilidad a la endogamia (consanguinidad), fenómeno que sucede en la mayoría de los animales, entre ellos el ser humano. Aunque la autofecundación en un animal no es posible, es factible que parientes muy relacionados puedan reproducirse. En el caso de los seres humanos este fenómeno hace que las siguientes generaciones aumenten los chances de condiciones que van en detrimento del propio organismo, además de incrementar la probabilidad de sufrir enfermedades genéticas particulares. Aunque en un menor grado, este fenómeno ocurre en plantas como el maíz. Sin embargo, y de forma un poco paradójica, la consanguinidad es usada en el mejoramiento del maíz. Así pues, con ayuda del ser humano algunas plantas de maíz son autofecundadas a través de varias generaciones con la finalidad de producir un tipo de maíz endogámico, que dará origen a unas semillas que aunque con poco valor agronómico (debido al alto grado de consanguinidad), presentarán una alta homocigosidad. Una vez establecidas diferentes tipos de líneas endogámicas, los mejoradores empiezan a cruzarlas sexualmente entre si para dar origen a una semilla conocida como hibrida. Esta semilla presenta un fenómeno biológicamente conocido como heterosis, en el cual la descendencia (los hijos) presenta un vigor híbrido (mejor desempeño agronómico) del cual carecen los parentales. Sin embargo, si estos hijos son nuevamente cruzados entre si el vigor hibrido se perderá en la semillas que darán origen a la siguiente generación. Así pues, a diferencia de los cultivos autógamos, los campesinos y agricultores que compren la muy productiva semilla hibrida, solo la pueden usar durante una generación, y en la siguiente se ven obligados a nuevamente comprar nuevamente nueva dicha semilla híbrida con el fin de mantener unos estándares de producción. Aunque este sistema de mejoramiento y producción del maíz ha resultado exitoso para la producción intensiva del maíz, especialmente en países desarrollados, en muchos de los países en desarrollo menos del 10% del maíz sembrado es híbrido debido a que a los campesinos les resulta muy costosa la obtención de la semilla [3]. Por lo tanto, resultaría interesante encontrar alguna forma en que pudiéramos clonar y perpetuar el genotipo de la vigorosa semilla híbrida.

Dentro de la gran variedad de sistemas reproductivos encontrados en las plantas (previamente discutidos), debemos adicionar la apomixis. A través de este sistema las plantas pueden producir una semilla sin necesidad de recombinación sexual, produciendo así un clon y perpetuando el genotipo [4, 5]. La apomixis ha sido encontrada en mas de 400 especies de angiospermas (plantas con fruto), pero solo unas cuantas especies con interés agrícola presentan este fenómeno natural. Entre estas plantas están los cítricos, la manzana, el mango, las orquídeas y varios tipos de plantas forrajeras [5]. Sin embargo, en otros cultivos como el maíz este fenómeno no ocurre naturalmente, por lo que la comunidad científica lleva años de esfuerzos tratando de incorporar estas propiedades en plantas alógamas como el maíz.

Son varias las ventajas que se pueden derivar de una hipotética planta alógama como el maíz obtenida mediante el mecanismo de la apomixis. En primera instancia, los mejoradores y genetistas de plantas podrían fijar instantáneamente una característica deseada, reduciendo así el tiempo y el dinero requerido para producir nuevas variedades de maíz. Por otro lado, los productores de semilla podrían ser capaces de producir y mantener la semilla híbrida a bajo costo y con menos oportunidad de error. Esto sin duda redundara en bajos precios de venta de semilla a los agricultores, los cuales a su vez, podrán reciclar indefinidamente [3].

Para poder entender en que consiste la apomixis, debemos primero considerar (al menos de manera general) la formación de los gametos en las plantas, así como la fecundación en ellas. Todas las plantas presentan un fenómeno conocido como alternancia de generaciones. En las angiospermas, la alternancia de generaciones consiste en el cambio de una fase diploide (material genético completo) conocida como el esporofito, y una fase haploide (mitad del material genético) conocida como el gametofito [6]. Un esporofito es básicamente la planta que vemos ante nuestros ojos. En las anteras (órgano reproductor masculino), así como en los óvulos (órgano reproductor femenino), se inicia el proceso de meiosis a partir de unas células conocidas como células madres de las esporas. Es importante reconocer que la meiosis es un proceso de división celular, en el cual las células resultantes tendrán la mitad de la información genética que la célula madre (proceso reduccional), y el cual difiere de otro proceso de división celular conocido como mitosis, en el cual las células hijas tendrán la misma cantidad de información genética que la célula madre. En las anteras la meiosis da origen a cuatro células haploides (mitad de la información genética) conocidas como microesporas; mientras que en los óvulos la meiosis da origen a cuatro macroesporas haploides, tres de las cuales se desintegran. En los animales, la meiosis ocurre de manera análoga dando origen a los espermatozides y al ovulo. Sin embargo a diferencia del reino animal, donde la unión de estos dos gametos da origen al correspondiente cigoto, en las plantas las microesporas y la macroespora sufren subsecuentes divisiones mitóticas. De esta forma, parte del ciclo vital de una planta es como organismo haploide (gametofito). En el caso de las microesporas, cada núcleo haploide se divide dando origen a un grano de polen tricelular. En el ovulo, la macroespora formada a través de la meiosis, también se divide mitóticamente dando origen a un saco embrionario, que consiste de siete células, de las cuales una es binuclear. La fecundación de las plantas es conocida como doble fertilización. Así pues, una vez un grano de polen llega al estigma de una flor, una de las tres células del polen desarrollará el tubo polínico, otra fecundara una de las siete células del saco embrionario, dando origen al embrión de la planta, mientras que el otro núcleo del polen fecundara la célula binuclear del saco embrionario, dando origen al endosperma de la semilla, el cual será el alimento del embrión [6]. Al final la semilla obtenida poseerá la mitad de la información genética de cada padre, lo que la hará única en sus propiedades.

Considerando estas características del reino vegetal, diremos que la apomixis es un tipo de reproducción en plantas que se caracteriza por evitar la meiosis y la fecundación, permitiendo que el ovulo de la planta desarrolle una semilla cuyo embrión es idéntico al de la planta que la origina. La apomixis puede ser llevada a cabo a través de una ruta esporofítica (generación diploide) o una ruta gametofítica (generación haploide). Recordemos que el esporofito es la planta que vemos ante nuestros ojos cuyas células no han tenido meiosis aún. Así pues, en la apomixis esporofítica el embrión nace directamente de las células diploides de los órganos reproductivos, evitando la formación del gametofito (saco embrionario). Este fenómeno es observado en los cítricos y recibe también el nombre de embrionía adventicia. Por su parte en la ruta gametofítica, el gametofito (el saco embrionario) es formado pero sin meiosis (apomeiosis), por lo tanto es diploide. A su vez, la apomixis gametofítica puede ser dividida en diplosporía y aposporía de acuerdo con el origen de la célula que dará origen al saco embrionario. En ambos casos, el embrión se desarrollará posteriormente a través de partenogénesis [4, 5].

Las primeras investigaciones enfocadas en introducir la apomixis en el maíz fueron concentradas en Tripsacum, una especie muy cercana al maíz, la cual se reproduce mediante apomixis. De este modo desde hace más de 20 años atrás, los mejoradores empezaron a realizar cruces entre el maíz y Tripsacum con el fin de obtener un maíz apomictico. De este modo, “The apomixis Project” liderado por el CIMMYT (Centro de Investigación del Maíz y el Trigo) y IRD (Institut de Recherche pour le Développement), ha logrado evaluar mas de 250,000 plantas a lo largo de 10 ciclos [3]. Sin embargo, aunque esta estrategia ha logrado resultados alentadores, hasta ahora no se ha podido obtener el tipo de maíz deseado. Su problema ha estado en que muchas de las semillas obtenidas tienden a tener muchos mas cromosomas de los esperados, además de una alta tasa de aborto [5].

Los recientes desarrollos en genética, biología molecular y biotecnología han permitido encontrar alternativas para la introducción de la apomixis en el maíz. Los primeros estudios genéticos durante los años 80’s y 90’s mostraron que el mecanismo de la apomixis es controlada por un solo locus con características mendelinas, localizado en una región del genoma donde la recombinación es suprimida [7]. Estos primeros resultados alentaron en general a la comunidad científica sobre la factibilidad de poder obtener en corto tiempo un maíz con apomixis. Sin embargo posteriores evidencias mostraron que una serie de genes co-adaptados y co-segregantes están involucrados en la apomixis. Además, los estudios evidenciaban que el gen de la apomixis presenta penetrancia incompleta y es altamente susceptible a condiciones ambientales [8], lo cual explica la ocurrencia de la apomixis facultativa (plantas que se reproducen tanto sexualmente, como por apomixis). De igual manera, evidencias recientes sugieren que la apomixis puede ser controlada epigenéticamente. De esta forma, investigaciones en la planta modelo Arabidopsis thaliana han mostrado que la regulación de la metilación del ADN juega un rol fundamental en la diferenciación entre la reproducción apomíctica y la reproducción sexual. En este mismo sentido, investigaciones recientes en maíz permitieron la obtención de un mutante cuyo fenotipo se asemeja a la apomixis mediante diplosporia [7]. Este mutante presenta una falla en la proteína AGO104 lo que permite una alta frecuencia de gametos no reducidos. AGO104 controla procesos de metilación en las regiones centromericas de los cromosomas, lo que nuevamente evidencia un control epigenetico en la apomixis [7]. Sin embargo, el mutante obtenido esta lejos de tener un valor comercial, ya que aunque este recapitula los eventos de la apomixis mediante diplosporia, este carece por completo de partenogénesis, lo que impedía la obtención de progenie. De esta forma, nuevamente la evidencia sugiere que el control de muchos genes es requerido para la obtención de una planta apomíctica.

La complejidad genética encontrada en las últimas investigaciones en apomixis parecen decirnos que aún estamos lejos de la obtención de un maíz con el cual podamos producir semillas híbridas que se puedan clonar. Sin embargo, los científicos aun se muestran optimistas, aunque mucho mas prudentes con respecto a la finalidad de obtener un maíz comercial derivado de procesos apomícticos. De esta forma, Enrico Perotti miembro del Proyecto Apomixis dice: “Toda la situación relacionada con la apomixis me recuerda la película de 1902 de George Méliès, Viaje a la luna. En la película, simplemente dispararon una gran bala desde un cañón gigante hacia la luna y, después de un breve lapso, la bala chocó en la gigantesca órbita de queso. Sesenta y siete años más tarde, realmente aterrizamos en la luna, pero no antes de que hubiéramos desarrollado y comprendido cabalmente una enorme gama de tecnologías nuevas, así como los conceptos científicos básicos involucrados. Ahora, en nuestro trabajo sobre la apomixis, hemos llegado a la etapa en que comprendemos que nuestro enfoque inicial era demasiado sencillo y necesitamos saber más.” [9].

[1] Palacio, J. D. Clonación: Una cotidianidad en el mundo vegetal. Biogenic http://biogenic-colombia.blogspot.com/2011_06_01_archive.html.

[2] Vallejo, F., E. I. Estrada. 2002. Mejoramiento genético de plantas. Universidad Nacional de Colombia.

[3] CIMMYT. http://apps.cimmyt.org/english/docs/brochure/Apomixis/htm/apomixisbroch-engl.htm

[4] Ramulu, K. S., V. K. Sharma, T. N. Naumova, P. Dijkhuis and M.M. van Lookeren Campagne. 1999. Apomixis for crop improvement. Protoplasma 208: 196-205.

[5] Spillane, C., Steimer, A., and U. Grossniklaus. 2001. Apomixis in agriculture: the quest for clonal seeds. Sex Plant Reprod 14:179-187.

[6] Curtis, H., Barnes, N. S. 1995. Biología. Editorial Médica Panamericana.

[7] Singh, M., Goel, S., Meeley, R. B., Dantec, C., Parrinello, H., Michaud, C., Leblanc, O., and Grimanelli, D. 2011. Production of viable gametes without meiosis in maize deficient for an ARGONAUTE protein. Plant Cell 28 (2):448-458

[8] Grossniklaus, U., Nogler, G., and J. van Dijk, P. 2001. How to avoid sex: The genetic control of gametophytic apomixis. Plant Cell 13(7):1491-1498.

[9] CIMMYT. http://apps.cimmyt.org/spanish/docs/ann_report/s_recent_ar/S_D_Foster/s_apomixis.htm