Recursos fitogenéticos

Recursos fitogenéticos Concepto: Comprenden la variación genética presente, y potencialmente útil para el futuro de la humanidad.

Recursos fitogenéticos. Incluyen las variedades tradicionales y las razas locales, los cultivares comerciales, los híbridos y otros materiales desarrollados mediante el mejoramiento, los parientes silvestres de las especies cultivadas y otros materiales que podrían usarse en el futuro para la agricultura o para beneficio del ambiente.

Importancia

Contribuyen a la estabilidad de los agroecosistemas y proporcionan la materia prima fundamental para el surgimiento del fitomejoramiento científico moderno; son la base de la subsistencia de la humanidad, suplen las necesidades básicas y ayudan a resolver problemas como el hambre y la pobreza. Además, constituyen la base de la evolución de los cultivos, como recursos naturales que han permitido a éstos adaptarse a una infinidad de medios y aplicaciones y que les permitirá responder a los nuevos factores adversos que surjan en el presente siglo.

Conservación

La conservación de los recursos fitogenéticos garantiza su posible utilización como fuente de variación genética potencialmente útil, a la vez que evita la pérdida de diversidad genética en la agricultura, con la consiguiente reducción del material disponible para el uso de las generaciones presentes y futuras. Así pues, en este proceso se abre el camino a las posibilidades para el desarrollo y evolución de diversas especies.

La amenaza de la erosión genética dio lugar a las primeras iniciativas internacionales para la creación, en 1974, del Consejo Internacional de Recursos Genéticos (CIRF), entonces órgano independiente que tributaba a la secretaría de la FAO, para coordinar un programa internacional sobre los recursos genéticos.

El resultado práctico de éstos y otros acontecimientos fue un esfuerzo concertado para recolectar y conservar recursos fitogenéticos antes de que desaparecieran. Los expertos estaban convencidos y tenían buenos motivos para ello, de que disponían de muy poco tiempo para recolectar y salvaguardar esos recursos, a fin de evitar su desaparición.

Bancos de germoplasma

Constituyen el esfuerzo mejor orientado para reunir y mantener la diversidad genética de los cultivos y contrarrestar las constantes modificaciones de la agricultura, la perturbación de los ecosistemas y la regresión de las vegetaciones naturales. Ellos resuelven las limitaciones que encuentran los trabajos de mejoramiento genético en determinadas zonas por el número también limitado de genotipos existentes.

Para lograr un incremento de la productividad de los cultivos, sin degradación de la base de los recursos del agroecosistema, es necesario un acceso continuo a la mayor variabilidad genética posible disponible para esos cultivos y las especies silvestres relacionadas con ellos.

Colecciones de campo

Las colecciones de campo juegan un papel crucial en la conservación de materiales en ambientes naturales por períodos prolongados, además de que permiten su caracterización y evaluación, por lo menos durante la primera fase, así como la propagación regular y el control de los mismos. El estado de estas colecciones varía considerablemente con el tamaño, nivel de reproducción, procedencia del germoplasma, su carácter nacional o institucional, así como los objetivos del trabajo.

Las especies de plantas de propagación vegetativa, con un ciclo biológico largo y/o con semillas de corta duración (recalcitrantes), se suelen mantener en bancos de germoplasma de campo, aunque es conveniente utilizar una combinación de técnicas de almacenamiento en lugar de depender de una sola.

Dentro de este grupo, el germoplasma de raíces, rizomas, tubérculos, plátanos y bananos se conserva ex situ utilizando diferentes métodos, según las condiciones ambientales y los medios y conocimientos disponibles. Entre las técnicas más utilizadas figuran, además de los ya mencionados bancos de genes conservados en el campo, los bancos de semillas, los bancos in vitro y la crioconservación.

Aunque las plantas de los bancos de germoplasma de campo son fáciles de caracterizar y evaluar, también están expuestas a pérdidas por el ataque de plagas y enfermedades, o a condiciones adversas como la sequía, las inundaciones, los incendios y el viento, entre otras. Es por eso que se perfeccionan métodos alternativos complementarios como la conservación in vitro y se trabaja para mejorar las tecnologías apropiadas para las especies con semillas no ortodoxas y para plantas de propagación vegetativa. Lo anterior evidencia que es preciso aumentar la capacidad de conservación ex situ bajo condiciones rentables.

Conservación in vitro

Los métodos de cultivo de tejidos ofrecen vías para la conservación de germoplasma de especies propagadas vegetativamente, en un espacio pequeño, libres de ataques de plagas y enfermedades, disminuyendo la mano de obra y además, facilitando el intercambio de germoplasma. El tejido empleado para la conservación in vitro debe permitir tanto su establecimiento, como una regeneración de plantas en un amplio rango de genotipos y alta estabilidad genética. Debido a los altos riesgos de pérdida, un duplicado de cada clon deberá estar guardado en una colección regional (América Latina, África, Asia y el área del Pacífico.

Tales propósitos se inician con el estudio y la preparación del inventario de los recursos existentes. Es frecuente que la mayoría de las muestras de los bancos de germoplasma no se hayan evaluado debidamente, lo que conduce a la infrautilización de las colecciones e impide el aprovechamiento de todo su valor, de lo que se derivan unos costos de conservación elevados en relación con los beneficios obtenidos.

Es por ello que se hace imprescindible la realización de estudios e investigaciones que contribuyan a conocer mejor el verdadero valor del patrimonio genético que se conserva. La conservación de germoplasma no significa únicamente almacenar material para las generaciones futuras, implica el manejo de información sobre el mismo, que pueda ser de interés para los usuarios actuales y potenciales.

Colecciones de germoplasma

Representan una fuente de genes útiles para los investigadores. Sin embargo, el manejo de grandes colecciones es una actividad costosa y compleja, particularmente para asegurar una preservación a largo plazo y por otra parte, el valor del germoplasma es más notable a partir de que se obtenga información adicional relacionada con su caracterización y evaluación. Cuando se hace una colección de material germoplásmico, el paso obvio y necesario es hacer una descripción morfológica cualitativa y cuantitativa para su identificación y una evaluación adecuada del material genético.

Caracterización y evaluación

La medición de los caracteres cualitativos y cuantitativos que se trasmiten a la descendencia del germopasma en cualquier ambiente, se conoce como caracterización, permite determinar la similitud entre las accesiones por medio de su morfología y estudia la variabilidad en la colección.

Esta variabilidad se mide con pocas o muchas variables o descriptores, cuyos datos conforman una dispersión de puntos con una dirección o vector, para determinar las distancias genéticas entre las accesiones, las que se pueden graficar de diferentes formas, siendo los dendrogramas y la dispersión de puntos en un plano cartesiano las de más fácil interpretación.

La caracterización de los recursos genéticos es importante para identificar rasgos potencialmente valiosos de las muestras, así como seleccionar variedades locales que se podrían utilizar directamente por los agricultores.

La caracterización de la variabilidad está considerada entre las líneas de investigación estratégicas a nivel mundial, debido a que es un factor decisivo en la solución de los problemas actuales y futuros relacionados con la productividad de los cultivos comerciales, la adaptación a los cambios climáticos y el desarrollo de nuevas alternativas en la obtención de variedades mediante la utilización de métodos tradicionales y biotecnológicos.

En los trabajos de mejoramiento es importante la caracterización y la determinación de la estabilidad de los caracteres, es por eso que se emplean una serie de descriptores como los morfológicos, genético-bioquímicos, citogenéticos y moleculares cada uno de ellos representa una herramienta útil, con ventajas y desventajas para el estudio adecuado de los recursos fitogenéticos.

Los marcadores genéticos identifican en un individuo las características del fenotipo, del genotipo o de ambos, y se definen como caracteres cuantificables que pueden detectar variación, ya sea en una proteína o en una secuencia de ADN. Estas importantes herramientas pueden ser de tipo morfológico, proteicos o bioquímicos y marcadores de ADN o moleculares, pero para ser considerado un buen marcador genético debe ser: altamente polimórfico, reproducible, codominante, distribuido de manera uniforme en todo el genoma, discriminante, no sujeto a influencias ambientales, neutral, de bajo costo y fácil de medir, por lo que un solo marcador no reúne todas las propiedades deseadas.

Cuando los datos de caracterización y evaluación morfoagronómicas no son suficientes para establecer diferencias entre especies o entre accesiones se puede recurrir a estudios cercanos al genoma, como el análisis del cariotipo, entre los que se determina el número y características de los cromosomas.

También es posible estudiar directamente el genoma utilizando marcadores bioquímicos (isoenzimas) y moleculares, dentro de estos están: microsatélites, polimorfismo en la longitud de los fragmentos de restricción (RFLP), ADN polimórfico amplificado aleatoriamente (RAPD), caracteres de "loci" cuantitativos (QTL), entre otros muchos. Sin embargo, estas metodologías no evalúan el efecto del ambiente en la expresión de los genes, por lo que no sustituyen –sino que complementan- la caracterización y la evaluación morfoagronómicas.

Estudios citogenéticos

Poseen un papel importante en el conocimiento y explotación de la diversidad genética vegetal y, en particular, en aquellos estudios relacionados con el manejo de colecciones de germoplasma. La correlación entre la citología y la taxonomía comenzó a finales del siglo XIX, cuando se encontró que las especies están caracterizadas por un número estable de cromosomas, que puede diferenciarlas del resto de las especies o variedades han propuesto criterios citogenéticos, bioquímicos y moleculares para la detección de cambios genéticos en las distintas accesiones, como complemento a la caracterización morfológica y agronómica de las colecciones de recursos fitogenéticos.

En las plantas, se emplean diversas metodologías para el estudio de los cromosomas, que van desde los métodos clásicos, hasta el empleo de técnicas moleculares. El establecimiento de la ploidía, por ejemplo, se realiza generalmente mediante el conteo de cromosomas, en cortes microscópicos preparados a partir de los ápices de las raíces en crecimiento activo. El aplastado o "squash" también es muy usado para contar los cromosomas.

El número cromosómico es uno de los descriptores más importantes en los trabajos de caracterización de un banco de germoplasma de raíces, rizomas y tubérculos. En el género "Xanthosoma", caracteres morfológicos como el color de la masa han sido correlacionados con este descriptor.

Uno de los aspectos esenciales en los trabajos de caracterización de una especie es su descripción desde el punto de vista de los atributos morfológicos y agronómicos para que las colecciones de recursos fitogenéticos tengan valor práctico.

Los métodos para el estudio morfológico se basan en el empleo de descriptores o caracteres cualitativos que se pueden observar a simple vista y cuantitativos que se pueden medir y se expresan en casi todos los ambientes. Estos métodos son relativamente económicos y constituyen la base de la caracterización de las plantas en los bancos de germoplasma.

Caracterización y evaluación morfoagronómica

En esta etapa se hace una valoración morfológica y agronómica del potencial productivo y se evalúan la tolerancia a plagas y enfermedades y a estrés bajo condiciones abióticas, en un diseño experimental con testigos de referencias (variedades comerciales o cultivares de uso común en la región). Una vez que se reúne la información se procede a su análisis estadístico mediante los métodos multivariados de descripción, ordenación o clasificación adecuados.

Ventajas de los estudios morfoagronómicos en Cuba

Se han demostrado en la caracterización y diferenciación de variedades de tomate (Lycopersicon esculentum Mill.), accesiones de ñame (Dioscorea spp.), accesiones de yuca (Manihot esculenta Crantz), accesiones de boniato (Ipomoea batatas (L.) Lam., accesiones de malanga isleña (Colocasia esculenta (L.) Schott), accesiones de bananos y plátanos (Musa spp.), accesiones de Xanthosoma spp., entre otros cultivos.

A pesar de que estos marcadores son clásicos en las evaluaciones, ellos pueden llevar a consideraciones ambiguas e interferencias entre el marcador y el fenotipo evaluado y no representar la verdadera divergencia genética entre los genotipos, porque los caracteres morfológicos y agronómicos son altamente influenciados por el ambiente.

Evaluación

La evaluación morfológica y agronómica de variedades, como parte del estudio de la variabilidad de un cultivo puede ser integrada con estudios más directos del genoma a través de los análisis citogenéticos, de electroforesis de enzimas y proteínas y de ADN, pero no podrán ser sustituidos por estas metodologías ya que ellos no evalúan el efecto del ambiente en la expresión de los genes.

Disponer de métodos rápidos y precisos para identificar variedades que se puedan combinar con los resultados de los análisis morfológicos, sirve para apoyar los programas de mejoramiento genético, determinar las relaciones filogenéticas, ayudar en la transferencia de caracteres de interés económico y además, para evitar la duplicidad de variedades o clones en colecciones de germoplasma. En ese sentido, los análisis isoenzimáticos ofrecen una importante contribución a las investigaciones en el ámbito vegetal.

Análisis isoenzimáticos

El término isozima fue introducido por Markert y Moller en 1959 para designar a cada una de las múltiples formas moleculares de una enzima presente en un mismo individuo y que catalizan una misma reacción. Más adelante, fue preferida la definición de isoenzimas; aunque algunos investigadores plantean que ésta debe ser restringida a formas moleculares múltiples de enzimas (diferentes proporciones de dos o más tipos de cadenas polipeptídicas), que se derivan de un mismo tejido u órgano, que tienen orígenes genéticos similares y que poseen actividades catalíticas muy semejantes, no exactamente superpuestas. Estas isoenzimas están codificadas por un locus, o por varios loci. Posteriormente se han utilizado indistintamente ambos términos.

El descubrimiento de las isoenzimas ha permitido desde entonces la creación de marcadores bioquímicos más eficientes que los morfológicos, ya que por lo general permiten distinguir genotipos homocigóticos de los heterocigóticos y el análisis de sus patrones ha sido durante años el enfoque más diseminado para el estudio de la diversidad genética dentro y entre las poblaciones de plantas, ya que éstos han demostrado ser muy útiles para la identificación y clasificación de cultivares, evaluación de la variabilidad genética e identificación de genotipos, correlación de genotipos con su origen geográfico y con caracteres importantes como la calidad, respuesta al ataque de plagas y enfermedades, así como la adaptación a condiciones ambientales extremas.

Los niveles a los cuales las isoenzimas pueden ser utilizadas como sistema marcador, son fundamentalmente los niveles de individuo y especie. Esto se debe a que el polimorfismo de las alozimas se halla frecuentemente a estos niveles. El uso rutinario de la electroforesis de isoenzimas supone la identificación de los sistemas tampones adecuados y la tinción de las enzimas para sistemas particulares y así poder determinar diferencias genéticas entre accesiones, información de gran valor para el análisis de los bancos de germoplasma. Las ventajas de estas técnicas han sido utilizadas en diferentes países para la caracterización y diferenciación de clones y variedades y con el cuidado de utilizar los sistemas isoenzimáticos que han sido confirmados como confiables para estudios de estabilidad genética.

De esta forma, se puede medir la distancia genética entre individuos y poblaciones o entidades, siempre que se tenga en cuenta que pueden no detectar todas las posibles diferencias a nivel de ADN, debido a la redundancia del código genético, que cerca del 30% de los cambios de bases del ADN no originan modificación en las secuencias de aminoácidos de las proteínas y que presenta la limitante de ser sólo válida para el estudio de genes estructurales, que codifican para determinadas proteínas y poseen especificidad tisular y ontogenética, por lo que hoy en día estos estudios se complementan con marcadores a nivel del ADN.

Los marcadores proteicos están también limitados por la influencia del ambiente y de los cambios que ocurren en las diferentes etapas del desarrollo como son la nutrición mineral, la incidencia de plagas y enfermedades y otras que pueden causar la aparición o desaparición de determinadas formas moleculares, por lo que se hace evidente la necesidad de llevar a cabo una rigurosa estandarización de la técnica a fin, no sólo de alcanzar una alta resolución electroforética, sino también de efectuar una adecuada interpretación de los resultados obtenidos. Aún así, las isoenzimas son un complemento robusto del análisis morfométrico sencillo de la variación.

Las transferasas son utilizadas como indicadores de conservación, pues no muestran variación entre diferentes cultivares o en plantas del mismo cultivar con diferente edad y tamaño; sin embargo, las hidrolasas y las oxidorreductasas son sistemas de isoenzimas potenciales para evaluar los cambios genéticos en esa especie. Teniendo en cuenta los factores estacionales y edad/tamaño, los sistemas de isoenzimas esterasas, peroxidasas, malato deshidrogenasa, catalasa, pectidasa y aminopectidasa han sido determinados como indicadores genéticos potenciales, confiables para el estudio de la estabilidad genética en el género "Colocasia".

Se plantea que las principales alternativas para la diferenciación de las accesiones están basadas fundamentalmente en el análisis del origen geográfico, de la morfología, del cariotipo y de las proteínas e isoenzimas; sin embargo, estos criterios, a pesar de su amplio uso pueden ser influenciados en mayor o menor medida, por factores ambientales, por el estado de desarrollo de la planta y tienen una limitada cobertura del genoma, por lo que revelan sólo parte de la variación genética.

Lo anterior, unido a la problemática de identificar formas silvestres, principales fuentes de nuevos genes o de identificar materiales comerciales, lleva al uso de descriptores moleculares, los que constituye n una herramienta valiosa para la identificación rápida y precisa de estos materiales para los fines referidos y para complementar la caracterización de la diversidad cultivada.

Tecnología de marcadores moleculares

Está compuesta por métodos útiles y confiables para discernir variaciones dentro de las colecciones de germoplasma, para estudios de relaciones evolutivas en poblaciones, así como, análisis del origen de las plantas cultivadas.

Estas técnicas han resultado provechosas además, para la estimación de la diversidad genética dentro de especies y entre ellas, como un elemento esencial en la identificación y clasificación clonal, en la construcción de mapas genéticos, estudios ecológicos, monitoreo de la estabilidad genética en materiales propagados por cultivo in vitro e identificación de mutantes. Se han usado también, en la identificación y selección de genes vinculados a caracteres cualitativos y cuantitativos de interés para programas de mejoramiento mediante la detección del polimorfismo del ADN. En los últimos años, su uso en la actividad conservacionista del germoplasma aumentó y cabe esperar que continúe esa tendencia en la medida en que aparezcan nuevos productos biotecnológicos y se establezcan medidas para su producción legal.

Marcadores de ADN

Los marcadores de ADN, revelan sitios de variación en la secuencia de ADN. A diferencia de los morfológicos, las variaciones no se muestran por sí mismas en el fenotipo, porque pueden tener diferencias en un solo nucleótido del gen o en una secuencia repetitiva del ADN. Los primeros son mucho más numerosos que los segundos, por lo que su polimorfismo sobrepasa varias veces el de otras variantes genéticas, incluidas las isoenzimas.

Los polimorfismos del ADN pueden detectarse en el ADN nuclear o en el de las mitocondrias y de los cloroplastos. Los marcadores moleculares afectan a la molécula de ADN como tal y se consideran, por ello, medidas objetivas de la variación. No están sujetos a las influencias ambientales, las pruebas con ellos pueden realizarse en cualquier momento del desarrollo de las plantas, y tienen el potencial de hallarse en número ilimitado porque abarcan todo el genoma, lo que representa su mejor atributo.

Entre los marcadores de ADN, la tecnología RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) a partir de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) (con cebadores no específicos) es muy usada en investigaciones genéticas por su rapidez, sencillez, bajo costo y por requerir de poca cantidad de muestra para el análisis. Los cebadores RAPDs pueden ser utilizados en pares con el objetivo de lograr una mayor amplificación y de que los fragmentos más pequeños también amplifiquen. El uso de dos cebadores RAPDs tiene la ventaja de que permite llevar a cabo más reacciones con un número limitado de ellos y generar más marcadores.

A pesar de sus limitaciones dada su naturaleza dominante, los marcadores RAPD pueden ser utilizados para evaluar el índice de fijación y los parámetros genéticos de una población cuando se utiliza el análisis estadístico apropiado. Esta tecnología de avanzada ha sido empleada para eliminar duplicados y estimar diversidad entre las especies, así como, monitorear y localizar nuevas fuentes de variación genética, en estudios de polimorfismo y en la caracterización de especies como Carica papaya L., Musa spp. y Apium sp.. Ha sido empleada además, para la identificación de cultivares y para el análisis del genoma vegetal en genética de poblaciones, sistemática y filogenia.

Aunque la técnica RAPD no es siempre reproducible, detecta un gran número de marcadores y puede facilitar el mapeo de genes y la identificación de híbridos. Igualmente, otros autores la han utilizado en estudios genéticos de seis cultivares de boniato (Ipomoea batatas (L.) Lam) y para estimar relaciones genéticas entre 26 accesiones de este cultivo y ocho especies emparentadas del género Ipomoea estudiaron 94 cultivares brasileños de yuca (Manihot esculenta Crantz) mediante RAPD para comparar la variación detectada por esta técnica y la encontrada morfológicamente entre ellos.

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