Spanish (pdf)
Article in xml format
Article references
Automatic translation
Send this article by e-mail
Cited by SciELO 
Cited by Google 
Similars in
SciELO 
Similars in Google 
Permalink
INTRODUCCIÓN
El neotrópico es una vasta región del continente americano caracterizada por su alta biodiversidad. Abarca desde las zonas costeras de Sinaloa y Baja California, flanqueando el Golfo de California en Norteamérica, hasta Brasil en Sudamérica, e incluye las islas del Caribe (Antonelli y Sanmartín, 2011; Udvardy, 1975). Esta región se caracteriza por presentar una gran variedad de hábitats, con grandes contrastes en cuanto a régimen de lluvias, humedad ambiental, temperatura, altitud, etc. La alta diversidad de plantas nativas también se ve reflejada en una gran variedad de plantas para uso agrícola. Entre los cultivos originados en esta región, y que han adquirido importancia a nivel mundial, se encuentran diversos tubérculos y raíces mono y dicotiledóneos, como papa (Solanum tuberosum), camote o boniato (Ipomoea batatas), yuca o mandioca (Manihot esculenta), malanga, cocoñame o tiquizque (Xanthosoma spp.), ñame (Dioscorea alata)], plantas leguminosas [diversas especies de frijol o poroto, habichuela, judía, alubia (Phaseolus spp.), cucurbitáceas (Cucurbita pepo, C. maxima, C. moschata, C. argyrosperma, C. ficifolia, Sechium edule), algodón (Gossypium hirsutum), maíz (Zea mays), tomate (Solanum lycopersicum), chiles o pimientos (Capsicum annuum), maní o cacahuate (Arachis hypogaea), palmas (Bactris spp., Euterpe spp., Acrocomia spp., Elaeis oleifera, Socratea exorrhiza), y especies frutales (Pouteria sapota, Anacardium occidentale, Spondias purpurea, Hylocereus spp., Fragaria spp., Theobroma cacao) (Bernal et al., 2011; Bisognin, 2002; Khoury et al., 2016; Piperno, 2011).
Muchas plantas de origen neotropical son cultivadas ampliamente alrededor del mundo. China es un país que destaca en cuanto a sus niveles de producción de tomate, papa, algodón y maíz. Entre los años 2016 y 2017 se produjeron 58,49 millones de toneladas (MT) de tomate y 97,40 MT de papa, con lo que ese país ocupó el primer lugar en cuanto a producción mundial de esos cultivos. Con respecto al algodón, India fue el mayor productor en el mundo durante este período con 17.92 MT, seguido de cerca por China con 16,59 MT. De los cultivos mencionados, el maíz fue el que tuvo mayor producción mundial durante esos años, ya que esta fue de 377,87 MT en Estados Unidos y 261.34 MT en China (FAO, 2016).
A pesar de los altos niveles de productividad que se ha alcanzado con estos cultivos de origen neotropical, existe una preocupación creciente debido a la amenaza del predominio de condiciones climáticas cada vez más extremas debido al cambio climático antropogénico. Estudios realizados en China proyectan que entre el 2020 y el 2049 incremente la frecuencia, severidad y duración de las sequías (Leng et al., 2015). Además, se estima que para el 2100 se reduzca el rendimiento de la producción entre 3 y 12% por el cambio climático (Chen et al., 2016). Para tratar de contrarrestar y adaptarse a las modificaciones climáticas, en China se han generado nuevas políticas para incrementar el uso eficiente del agua, e incluso en este país se ha apostado por la biotecnología para desarrollar cultivares resistentes al estrés mediante el Proyecto Semilla (Seed Project, en inglés) (Piao et al., 2010).
Al igual que en China, los Estados Unidos y la India han visto reflejados los efectos de condiciones climáticas variables, con efectos negativos sobre su producción agrícola. Esta situación trasciende, en mayor o menor grado, la producción de alimentos en todo el mundo. Por esta razón, se deben adaptar los agroecosistemas a las condiciones ambientales cambiantes e implementar políticas favorables hacia el medio ambiente para reducir los impactos negativos sobre la seguridad alimentaria (Chattopadhyay, 2010; Walthall et al., 2012). Además del cambio climático, el crecimiento poblacional es otro reto que se debe afrontar. Para el 2050 se proyecta que la población mundial alcance los nueve mil millones de habitantes, por lo que se deben de desarrollar nuevas estrategias de cultivo, por ejemplo, mediante la implementación de la biotecnología, para satisfacer la demanda creciente de alimentos, especialmente en condiciones climáticas adversas (Fang y Xiong, 2015; Rani et al., 2016; Scheben y Edwards, 2017; Singh y Laxmi, 2015).
Las plantas, al ser organismos sésiles, son susceptibles a sufrir estrés a temperaturas extremas de calor y frío, así como a sequía y salinidad. Cierto grado de tolerancia a estos factores abióticos puede ser adquirida mediante mejoramiento genético convencional (Varshney et al., 2011), o bien por mutagénesis inducida (Chaudhary y Chaudhary, 2014). Con esta última técnica se utilizan métodos químicos o físicos, en donde el ADN de la planta es mutado aleatoriamente o de manera dirigida para adquirir nuevas características (Chaudhary y Chaudhary, 2014). Otra estrategia para adquirir tolerancia al estrés abiótico es el mejoramiento genético con apoyo de selección asistida por marcadores (MAS, por sus siglas en inglés), retrocruzamiento asistido por marcadores (MABC, por sus siglas en inglés), selección recurrente asistida por marcadores (MARS, por sus siglas en inglés) o selección genómica (GWS, por sus siglas en inglés) (Varshney et al., 2011). Por último, la ingeniería genética ha sido ampliamente utilizada para sobrellevar el estrés abiótico ya que ofrece un sinfín de opciones para mejorar los cultivos (Parmar et al., 2017).
La ingeniería genética permite conferir tolerancia al estrés abiótico mediante diversas estrategias, como ARNs pequeños no codificantes (Cabello et al., 2014), edición genética mediante el uso del sistema de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas (CRISPR)/asociado a la proteína CRISPR (Cas)9 (CRISPR/Cas9) (Shi et al., 2015) o la sobreexpresión de genes mediante la transformación genética. Para la utilización de esas técnicas es necesario que se hayan identificado y caracterizado molecularmente los genes que estén relacionados con la respuesta al estrés. Entre estos genes están los afines con el transporte de iones y agua, la síntesis de sustancias osmoprotectoras como glicina-betaína, manitol y prolina, transportadores de exclusión de iones, mecanismos para la detoxificación de especies de oxígeno reactivo (ROS), producción de moléculas chaperonas y controles de la regulación transcripcional (Joshi et al., 2019; Parmar et al., 2017; Patel et al., 2019).
La presente revisión está enfocada en presentar los esfuerzos de investigación realizados en cultivos de origen neotropical para conferir tolerancia a diferentes tipos de estrés abiótico mediante la expresión de genes relacionados con la síntesis de osmolitos, con factores de transcripción (FT) y la utilización del sistema CRISPR/Cas9. Si bien el tabaco (Nicotiana tabacum) es también una planta de origen neotropical, se ha transformado genéticamente más como planta modelo que para conferir tolerancia a estrés abiótico con fines más prácticos, por eso no se está incluyendo en esta revisión.
Estrategias para incrementar la tolerancia al estrés abiótico
Para conferir tolerancia a diversos tipos de estrés abiótico se han desarrollado diferentes estrategias. Se han aplicado, desde técnicas sencillas en cuanto al uso de recursos tecnológicos, como el mejoramiento genético convencional (Ashraf, 2010), hasta las desarrolladas más recientemente, como el sistema CRISPR/Cas9, (Osakabe et al., 2016). Por otra parte, se ha modificado la expresión de microARNs relacionados con la respuesta al estrés abiótico (Shriram et al., 2016), ligasas E3 para la ubiquitinación de proteínas relacionadas con el estrés (Lyzenga y Stone, 2012), así como también la expresión de genes involucrados en las vías metabólicas de fitohormonas como ácido abscísico (ABA), auxinas, citoquininas, etileno y brasinoesteroides (Wani et al., 2016).
De igual manera, para conferir cierto grado de tolerancia se ha modificado la expresión de compuestos osmoprotectores, detoxificantes, proteínas abundantes en embriogénesis tardía (LEA, por sus siglas en inglés), transportadores, proteínas de choque térmico, genes multifuncionales para la biosíntesis de lípidos, FT de respuesta a estrés, y genes involucrados en señales de transducción (Bhatnagar-Mathur et al., 2008). Entre otras estrategias se ha realizado el fenotipado de diferentes especies para crear mapas genéticos de locus de rasgo cuantitativo (QTL, por sus siglas en inglés), que permitan elucidar la base molecular de la respuesta al estrés abiótico (Roy et al., 2011) y se ha inoculado plantas y suelo con rizobacterias promotoras del crecimiento, las cuales provocan cambios químicos y físicos en las plantas para permitir mitigar el estrés por salinidad y sequía (Kumar et al., 2018).
Todas las estrategias mencionadas anteriormente han sido tratadas en detalle por medio de revisiones bibliográficas; sin embargo, ningún trabajo de revisión se ha enfocado específicamente en los estudios realizados para conferir tolerancia al estrés abiótico en cultivos de origen neotropical. La expresión de genes que codifican para sustancias osmoprotectoras y FT ha sido sujeto de estudio en varios trabajos experimentales con estos cultivos, por lo cual esta revisión se va a enfocar en estas dos áreas, además de los trabajos que involucran el sistema CRISPR/Cas9, por ser esta una técnica con gran potencial.
Acumulación de osmolitos
Los osmolitos son sustancias orgánicas o inorgánicas que las plantas tienen la capacidad de acumular. Estos compuestos actúan como osmoprotectores ya que no son tóxicos para la célula, no generan ningún efecto dañino en las membranas, estabilizan la superficie de unión al agua y mantienen la estructura espacial de las macromoléculas. Sustancias orgánicas de este tipo, sintetizadas por las plantas, incluyen azúcares solubles, polioles, prolina, glicina-betaína (GB), ácidos orgánicos, trehalosa, espermidinas, entre otros (Fang y Xiong, 2015; Farooq et al., 2012; Hadiarto y Tran, 2011; Singh et al., 2015). Diferentes cultivos de origen neotropical han sido modificados genéticamente con genes que participan en la biosíntesis de osmolitos (Tabla 1). Estos se han aislado de bacterias (He et al., 2013; Lv et al., 2007; Quan et al., 2004b; Zhang et al., 2011b), levaduras (Dong et al., 2011; Stiller et al., 2008) y también de otras plantas, o bien se ha inducido la sobreexpresión de genes nativos (Moghaieb et al., 2000; Zhang et al., 2009). Lo anterior se ha hecho con el fin de aumentar la acumulación de estos compuestos y, en consecuencia, incrementar la tolerancia de las plantas a condiciones abióticas adversas.
Tabla 1 Cultivos de origen neotropical modificados genéticamente para sobreexpresar genes relacionados con la producción de osmolitos.
| Gen de interés | Planta transformada | Recurso génico | Osmolito | Tolerancia adquirida | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| betA | Maíz | E. coli | GB | Sequía | Quan et al. (2004b) |
| betA | Algodón | E. coli | GB | Sequía | Lv et al. (2007) |
| betA | Algodón | E. coli | GB | Salinidad | Zhang et al. (2011b) |
| betA | Maíz | E. coli | GB | Frío | Quan et al. (2004a) |
| codA | Papa | Arthrobacter globiformis | GB | Sequía, salinidad y estrés oxidativo | Ahmad et al. (2008) |
| codA | Papa | A. globiformis | GB | Sequía | You et al. (2019) |
| codA | Tomate | A. globiformis | GB | Salinidad y estrés hídrico | Goel et al. (2011) |
| codA | Tomate | A. globiformis | GB | Salinidad | Wei et al. (2017) |
| AhCMO | Algodón | Atriplex hortensis | GB | Salinidad | Zhang et al. (2009) |
| BADH | Tomate | Sorgo | GB | Salinidad | Moghaieb et al. (2000) |
| BADH | Tomate | A. hortensis | GB | Salinidad | Jia et al. (2002) |
| BADH | Tomate | Espinaca | GB | Fotoinhibición por calor | Li et al. (2014) |
| BADH | Maíz | Atriplex micrantha | GB | Salinidad | Di et al. (2015) |
| ApGSMT2 y ApDMT2 | Maíz | Aphanothece halophytica | GB | Sequía | He et al. (2013) |
| ApGSMT2 y ApDMT2 | Algodón | A. halophytica | GB | Salinidad | Song et al. (2018) |
| TPS1 | Tomate | S. cerevisiae | Trehalosa | Sequía, salinidad y estrés oxidativo | Cortina y Culiáñez-Macià (2005) |
| TPS1 | Papa | S. cerevisiae | Trehalosa | Sequía | Stiller et al. (2008) |
| TPS/TPP | Tomate | E. coli | Trehalosa | Sequía y salinidad | Lyu et al. (2013) |
| TPSP | Tomate | E. coli | Trehalosa | Calor | Lyu et al. (2018) |
| TPSP y MTSH | Papa | E. coli | Trehalosa | Salinidad | Shim et al. (2019) |
| Tpp1 | Maíz | Arroz | Trehalosa | Sequía | Nuccio et al. (2015) |
| mtlD | Papa | E. coli | Manitol | Salinidad | Rahnama et al. (2011) |
| mtlD | Maní | E. coli | Manitol | Sequía | Bhauso et al. (2014) |
| mtlD | Maní | E. coli | Manitol | Salinidad | Patel et al. (2016) |
| mtlD | Maní | E. coli | Manitol | Sequía | Patel et al. (2017) |
| mtlD | Tomate | E. coli | Manitol | Frío, sequía y salinidad | Khare et al. (2010) |
| IbMIPS1 | Camote | Camote | Myo-inositol | Sequía y salinidad | Zhai et al. (2016) |
| P5CS | Caña de azúcar | Vigna aconitifolia | Prolina | Sequía | Molinari et al. (2007) |
| P5CS | Caña de azúcar | Caña de azúcar | Prolina | Sequía | Li et al. (2018) |
| P5CS | Papa | Agrobacterium tumefaciens | Prolina | Salinidad | Hmida-Sayari et al. (2005) |
AhCMO: colina monooxigenasa, ApDMT2: dimetilglicina metiltransferasa, ApGSMT2: glicina sarcosina metiltransferasa, BADH: betaína aldehído deshidrogenasa, betA: colina deshidrogenasa, codA: colina oxidasa, GB: glicina-betaína, IbMIPS1: myoinositol-1-fosfato sintasa, mtlD: manitol-1-fosfato deshidrogenasa, MTSH: maltooligosiltrehalosa sintasa/trehalohidrolasa, P5CS: Δ 1 -pirrolina-5-carboxilato sintetasa, Tpp1: trehalosa-6-fosfato fosfatasa, TPS/TPP: gen híbrido de trehalosa-6-fosfato sintasa y trehalosa-6-fosfato fosfatasa, TPSP: trehalosa-6-fosfato sintasa/fosfatasa, TPS1: trehalosa sintasa.
Glicina-betaína (GB)
La GB es una molécula sintetizada a partir de colina o glicina mediante dos enzimas clave, la colina monooxigenasa (CMO) y la betaína aldehído deshidrogenasa (BADH). La GB puede interactuar con los dominios hidrofílicos e hidrofóbicos de algunas macromoléculas, para así estabilizar la estructura y actividad de complejos proteicos y mantener la integridad de las membranas celulares ante diversos tipos de estrés abiótico (Ashraf, 2010; Sakamoto y Murata, 2002). Con este fin se han modificado cultivos de origen neotropical como maíz (Quan et al., 2004a, 2004b; He et al., 2013), algodón (Lv et al., 2007; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011b), papa (Ahmad et al., 2008), y tomate (Goel et al., 2011; Jia et al., 2002; Li et al., 2014; Moghaieb et al., 2000). Las plantas así genéticamente modificadas (GM) lograron adquirir una mayor tolerancia a la sequía (Ahmad et al., 2008; Goel et al., 2011; He et al., 2013; Lv et al., 2007; Quan et al., 2004b), al frío (Quan et al., 2004a), a la fotoinhibición ocasionada por el calor (Li et al., 2014) y a la salinidad (Ahmad et al., 2008; Goel et al., 2011; Jia et al., 2002; Moghaieb et al., 2000; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011b).
Fisiológicamente, la respuesta observada se debe a que las plantas GM presentan un mayor contenido de GB o sus precursores antes y después de ser estresadas, lo cual tiene como consecuencia menor pérdida de electrolitos, mayor tasa fotosintética (Ahmad et al., 2008; He et al., 2013; Lv et al., 2007; Quan et al., 2004b; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011b), mejor ajuste osmótico (Lv et al., 2007; Moghaieb et al., 2000; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011b), menor peroxidación de las membranas (He et al., 2013; Lv et al., 2007; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011b) y mayor contenido de agua (Ahmad et al., 2008; Goel et al., 2011; Lv et al., 2007). Adicionalmente, se ha encontrado que el aumento en la concentración de GB favorece la acumulación de la proteína D1, la cual se ha relacionado con una rápida reparación del fotosistema II al exponer plantas de tomate GM a 42°C, lo cual genera una disminución en la fotoinhibición por calor (Li et al., 2014).
En cuanto al rendimiento de los cultivos, las modificaciones genéticas con genes relacionados con la síntesis de GB han tenido un efecto positivo en plantas de algodón GM debido a que al sembrarlas en suelos salinos se ha logrado incrementar el rendimiento con respecto a las plantas sin transformar (Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2011b). De manera similar, en maíz se ha encontrado un mayor rendimiento, medido por el número de granos en las mazorcas (Quan et al., 2004b). Al realizar modificaciones genéticas puntuales en plantas, pueden ocurrir cambios adicionales y no esperados en el fenotipo (pleiotrópicos), que pueden ser negativos o positivos. Es importante confirmar que no ocurran efectos pleiotrópicos negativos, tal y como lo confirmaron He et al. (2013) con maíz, quienes al cultivar las plantas GM y los controles bajo condiciones normales no encontraron diferencias en el desarrollo de las mismas.
Trehalosa
La trehalosa es otro osmolito que las plantas utilizan para la osmoprotección. Este es un disacárido compuesto por dos moléculas de α-glucosa unidas por un enlace glucosídico de tipo α-(1→1). Se ha relacionado este compuesto con la tolerancia al estrés abiótico debido a que posee la capacidad de estabilizar membranas y moléculas, es estable a altas temperaturas y posee baja capacidad de reacción. Este carbohidrato es capaz de proteger del estrés a microorganismos y al grupo denominado “plantas de resurrección” (Myrothamnus flabellifolius, Selaginella tamariscina y Selaginella lepidophylla), las cuales se caracterizan por poseer una resistencia natural a la sequía (Fernandez et al., 2010; Yatsyshyn et al., 2017). Debido a la capacidad osmoprotectora de la trehalosa, se han aislado los genes que codifican para las enzimas trehalosa-6-fosfato sintasa (TPS) y trehalosa-6 fosfato fosfatasa (TPP) con el fin de conferir una mayor tolerancia a la sequía a cultivos de origen neotropical como papa, maíz y tomate mediante transformación genética (Cortina y Culiáñez-Macià, 2005; Lyu et al., 2013; Nuccio et al., 2015; Stiller et al., 2008).
La papa es un cultivo sensible a la sequía. Para reducir esta sensibilidad se sobreexpresó el gen TPS1 de Saccharomyces cerevisiae fusionado con el promotor inducible por sequía StDS2; sin embargo, en ese caso no hubo sobreexpresión en respuesta al déficit hídrico, sino solamente una baja expresión constitutiva (Stiller et al., 2008). Bajo condiciones de sequía, las plantas de papa GM presentaron menor pérdida de agua y mayor conductancia estomática, a la vez que mantuvieron la tasa fotosintética, con respecto a las plantas no GM. Sin embargo, en condiciones normales de riego se encontraron efectos pleiotrópicos negativos, como reducción del crecimiento, menor densidad estomática y de fijación de CO2, los cuales podrían deberse a la mencionada expresión constitutiva del gen (Stiller et al., 2008). Dichas modificaciones se pueden deber a cambios identificados en la regulación de ciertos genes, como por ejemplo, genes implicados en fotosíntesis, fijación de carbono, ciclo de Krebs y metabolismo principal de los carbohidratos (Kondrák et al., 2011). Adicionalmente, las plantas GM y silvestres mostraron un aumento en el contenido de rafinosa, inositol y prolina luego del estrés por sequía, lo cual puede sugerir que este es uno de los mecanismos naturales de la papa para responder a ese tipo de estrés (Kondrák et al., 2012).
El tomate es otro cultivo neotropical que ha sido modificado genéticamente con miras a incrementar la producción de trehalosa, en este caso mediante la sobreexpresión de un gen híbrido aislado de Escherichia coli que codifica para TPS y TPP. Esta modificación aumentó la tolerancia de la planta a sequía y salinidad sin provocar efectos pleiotrópicos negativos, la cual se correspondió con un aumento de hasta cuatro veces en el contenido de trehalosa, con respecto a las plantas no GM. Para verificar si hubo un incremento en la tolerancia a la sequía se eliminó el riego por siete días, y al rehidratar las plantas, sólo las GM sobrevivieron. Para confirmar la tolerancia a la salinidad, se cultivó las plantas con 150 mM de NaCl y se encontró una reducción en la tasa fotosintética únicamente en las plantas no GM (del 31%) (Lyu et al., 2013).
En otra investigación realizada con tomate, se sobreexpresó el gen TPS1 de S. cerevisiae. Este les confirió a las plantas GM mayor tolerancia a salinidad, sequía y estrés oxidativo. Al alterar la ruta de biosíntesis de carbohidratos por introducir este gen, las plantas GM presentaron una mayor acumulación de almidón y clorofila, que podrían explicar los cambios pleiotrópicos observados, como desarrollo aberrante de las raíces, hojas con color verde oscuro y con mayor rigidez, y tallos con mayor grosor, comparados con las plantas sin modificar. A pesar de la aparición de estos cambios pleiotrópicos que afectaron la estructura de las plantas GM, no hubo una disminución en la producción al aplicar o no estrés abiótico, por lo que sí podría utilizarse como una estrategia para mitigar los efectos del cambio climático, al menos en esta especie (Cortina y Culiáñez-Macià, 2005).
Al igual que la papa, el maíz es un cultivo susceptible a la sequía, principalmente durante la floración, etapa determinante para definir el rendimiento de cosecha. Debido a esto, se buscó modificar los niveles de trehalosa-6-fosfato (T6P), que es el precursor de la trehalosa, mediante la sobreexpresión de TPP en tejidos femeninos reproductivos con el uso de un promotor floral. La T6P se encarga de regular el crecimiento de la planta, controlar la utilización de la sacarosa e inhibe la expresión de la proteína SnRK1. En conjunto SnRK1 y T6P son puntos de control entre el crecimiento y la respuesta a estrés (Nuccio et al., 2015). Esta vía de señalización (T6P/SnRK1) permite que se dé el rápido crecimiento de las plantas luego de exponerse a condiciones de estrés. Al inhibirse la actividad de SnRK1, T6P incrementa la expresión de genes biosintéticos en respuesta a la acumulación de sacarosa en los tejidos. Entre los genes regulados por esta vía se encuentran varios que participan en síntesis de la pared, nucleótidos y proteínas (Nunes et al., 2013).
De esa manera, la modificación de la vía de señalización T6P/SnRK1 con la sobreexpresión de TPP permitió incrementar el contenido de sacarosa en las mazorcas en estados iniciales de desarrollo y mayor número de granos por mazorca en plantas de maíz bajo sequía severa. En consecuencia, se dio un aumento en el rendimiento del cultivo con respecto al testigo en esas condiciones. Adicionalmente, se observó una reducción en la concentración de la T6P y, en consecuencia, un aumento en la actividad de la SnRK1 (Nuccio et al., 2015).
Manitol
El manitol es un poliol que juega un papel importante en la tolerancia al estrés abiótico (Ashraf, 2010). Esta molécula es naturalmente sintetizada por algunos hongos, algas, líquenes y plantas superiores, así como por bacterias como E. coli (Lewis y Smith, 1967). Se ha aislado el gen manitol-1-fosfato deshidrogenasa (mtlD) de dicha bacteria, que convierte el manitol-1-fosfato en manitol, para modificar cultivos neotropicales como tomate, papa y maní, y que así sinteticen más manitol. La sobreexpresión de este gen causó un incremento en la tolerancia a uno o más tipos de estrés abiótico, como sequía, salinidad y frío (Bhauso et al., 2014; Khare et al., 2010; Rahnama et al., 2011).
En condiciones de déficit hídrico y salinidad la sobreexpresión de este gen permitió que plántulas con 5 días de edad y plantas adultas GM de maní mostraran una menor pérdida del turgor celular al ser comparadas con sus equivalentes no transformados. Esto se evidenció, además, por el mejor desempeño de estas plantas en cuanto a otros parámetros físico-químicos, como contenido de manitol, niveles de prolina y clorofila total, potencial osmótico y pérdida de electrolitos (Bhauso et al., 2014). En el caso del tomate, las plantas GM lograron mantener una mayor biomasa fresca, con respecto a las plantas no GM. Adicionalmente, se encontró que estas plantas GM de tomate presentaban una mayor tolerancia al frío, lo cual fue demostrado luego de exponer las plantas por 48 h a 4°C. Las plantas no GM murieron durante el período de exposición al frío, mientras que las plantas GM lograron tolerar este estrés. Al realizar pruebas para determinar el estado fisiológico de las plantas transgénicas luego del estrés, se encontró que estas mostraron un aumento en el contenido de agua y en la actividad de las enzimas superóxido dismutasa y catalasa, ambas con actividad antioxidante, así como menor pérdida de electrolitos e incremento en la peroxidación lipídica (Khare et al., 2010).
Al provocar estrés salino en plantas de tomate y papa que sobreexpresan el gen mtlD se determinó que estas adquirieron mayor tolerancia a la salinidad causada por NaCl (Khare et al., 2010; Rahnama et al., 2011). Al germinar semillas de tomate en 200 mM de NaCl, 24-30% de las semillas GM germinó, mientras que ninguna semilla de las plantas silvestres logró hacerlo (Khare et al., 2010). Con respecto a la papa, al cultivar plantas, tanto en hidroponía (100 mM de NaCl) como en cultivo in vitro (50 mM de NaCl), se determinó que las plantas GM presentaron una menor reducción en peso fresco de los brotes (0-17,3%) con respecto al testigo (0 mM de NaCl), mientras que en las plantas no transformadas el peso se redujo en 30,1-76,5%. Las plantas GM acumularon una baja concentración de manitol; sin embargo, esto fue suficiente para que actuara como osmoprotector. Adicionalmente, en las plantas modificadas esta molécula permitió un mejor ajuste osmótico en la raíz (Rahnama et al., 2011).
Factores de transcripción (FT)
Los FT son proteínas que pueden regular cambios en la expresión de un grupo específico de genes. Entre las familias FT en las que se ha encontrado interacción con genes relacionados con la respuesta al estrés abiótico se pueden mencionar los MYB, WRKY, NAC, proteínas básicas de zipper de leucina (bZIP), y FT de respuesta a la deshidratación (DREB) (Fang y Xiong, 2015; Hadiarto y Tran, 2011; Hussain et al., 2011; Singh y Laxmi, 2015), los cuales han sido empleados para modificar cultivos de origen neotropical (Tabla 2). En esta sección se detallarán ejemplos de aplicaciones que se le han dado a estos FT con miras a mitigar estrés abiótico en especies con un origen en el neotrópico.
Tabla 2 Cultivos de origen neotropical modificados genéticamente con la sobreexpresión o silenciamiento de factores de transcripción (FT) para la regulación de genes relacionados con tolerancia a estrés abiótico.
| Gen de interés | Planta transformada (mecanismo) | Recurso génico | Familia de FT | Tolerancia aumentada (+) o disminuida (-) | Referencia |
|---|---|---|---|---|---|
| GbMYB5 | Gossypium barbadense (sobreexpresión) | G. barbadense | MYB | Sequía (+) | Chen et al. (2015) |
| GhMYB108-like | Gossypium hirsutum | G. hirsutum | MYB | Salinidad y sequía | Ullah et al. (2020) |
| LeAN2 | Tomate (sobreexpresión) | Tomate | MYB | Calor (+) | Meng et al. (2015) |
| Osmyb4 | Papa (sobreexpresión) | Arroz | MYB | Salinidad (+) | Aydin et al. (2014) |
| OsMYB55 | Maíz (sobreexpresión) | Arroz | MYB | Sequía (+) y calor (+) | Casaretto et al. (2016) |
| StMYBlR-1 | Papa (sobreexpresión) | Papa | MYB | Sequía (+) | Shin et al. (2011) |
| MuWRKY3 | Maní (sobreexpresión) | Macrotyloma uniflorum | WRKY | Sequía (+) | Kiranmai et al. (2018) |
| SlWRKY8 | Tomate (sobreexpresión) | Tomate | WRKY | Salinidad (+), sequía (+) y contra Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (+) | Gao et al. (2020) |
| SlWRKY39 | Tomate (sobreexpresión) | Tomate | WRKY | Salinidad (+), sequía (+) y contra P. syringae pv. tomato DC3000 (+) | Sun et al. (2015) |
| CaNAC035 | C. annuum (silenciamiento) | C. annuum | NAC | Frío (-), salinidad (-) y sequía (-) | Zhang et al. (2020) |
| GhNAC2 | G. hirsutum (sobreexpresión) | Gossypium herbaceum | NAC | Sequía (+) | Gunapati et al. (2016) |
| GhNAC79 | G. hirsutum (sobreexpresión) | G. hirsutum | NAC | Sequía (+) | Guo et al. (2017) |
| ZmNAC111 | Maíz (sobreexpresión) | Maíz | NAC | Sequía (+) | Mao et al. (2015) |
| AtJUB1 | Tomate (sobreexpresión) | A. thaliana | NAC | Sequía (+) | Thirumalaikumar et al. (2018) |
| SlJUB1 | Tomate (silenciamiento) | Tomate | NAC | Sequía (-) | Thirumalaikumar et al. (2018) |
| StNAC2 | Papa (sobreexpresión) | Papa | NAC | Salinidad (+) y sequía (+) | Xu et al. (2014) |
| GhABF2 | Algodón (sobreexpresión) | Algodón | bZIP | Salinidad (+) y sequía (+) | Liang et al. (2016) |
| ABF4 | Papa (sobreexpresión) | Arabidopsis | bZIP | Salinidad (+) y sequía (+) | Muñiz García et al. (2018) |
| CaBZ1 | Papa (sobreexpresión) | Capsicum annuum | bZIP | Sequía (+) | Moon et al. (2015) |
| CabZIP25 | C. annuum (silenciamiento) | C. annuum | bZIP | Salinidad (-) | Gai et al. (2020) |
| ABP9 | Algodón (sobreexpresión) | Maíz | bZIP | Salinidad (+), sequía (+) y estrés oxidativo (+) | Wang et al. (2017a) |
| AtABF3 | Algodón (sobreexpresión) | A. thaliana | bZIP | Sequía (+) | Kerr et al. (2018) |
| GhABF2D | Algodón (sobreexpresión) | Algodón | bZIP | Sequía (+) | Kerr et al. (2018) |
| MeABL5 | Yuca (sobreexpresión) | Yuca | bZIP | Sequía (+) y calor (+) | Liu et al. (2019) |
| AtDREB1A | Tomate (sobreexpresión) | A. thaliana | DREB | Frío (+) | Shah et al. (2015) |
| AtDREB1A | Maní (sobreexpresión) | A. thaliana | DREB | Sequía (+) y salinidad (+) | Sarkar et al. (2014), Sarkar et al. (2016) |
| AtDREB1A | Maní (sobreexpresión) | A. thaliana | DREB | Sequía (+) | Bhalani et al. (2019) |
| StDREB2 | G. barbadense (sobreexpresión) | Papa | DREB | Sequía (+) | El-Esawi y Alayafi (2019) |
| TsCBF1 | Maíz (sobreexpresión) | Thellungiella halophila | DREB/CBF | Sequía (+) | Zhang et al. (2010) |
| IbCBF3 | Camote (sobreexpresión) | Camote | DREB/CBF | Frío (+), sequía (+) y estrés oxidativo (+) | Jin et al. (2017) |
| CaRma1H1 | Tomate (sobreexpresión) | C. annuum | RING E3 Ub ligasa* | Sequía (+) | Seo et al. (2012) |
ABP9: codifica para proteína de unión a elementos de respuesta a ABA (ABRE por sus siglas en inglés) de Zea mays, ABF4: factor de unión ABRE 4, AtABF3: elemento de respuesta al ABA del factor 3 de A. thaliana, AtDREB1A: FT DREB1A de A. thaliana, AtJUB1: FT NAC JUNGBRUNNEN1 de A. thaliana, CaBZ1: FT codificado por el grupo SbZIP de C. annuum, CabZIP25: FT bZIP 25 de C. annuum, CaNAC035: FT NAC 35 de C. annuum, CaRma1H1: codifica para proteína que contiene un dominio de unión al anillo de C. annuum, GbMYB5: Clon T-h7124-5 MYB5 de G. barbadense, GhABF2: FT bZIP del grupo A de G. hirsutum, GhABF2D: FT bZIP AREB/ABF de G. hirsutum ortólogo a AtABF3, GhMYB108-like: FT MYB108 de G. hirsutum similar al MYB2 de A. thaliana , GhNAC2: proteína NAC2 de G. hirsutum, GhNAC79: FT NAC 79 de G. hirsutum, IbCBF3: factor de unión 1 a repetición C/DRE de I. batatas, LeAN2: FT MYB75 de S. lycopersicum, MeABL5: FT similar al ABA insensible 5 de Manihot esculenta, MuWRKY3: FT WRKY3 de M. uniflorum, Osmyb4: FT MYB4 de Oryza sativa, OsMYB55: FT MYB55 de Oryza sativa, SlJUB1: FT NAC JUNGBRUNNEN11 de S. lycopersicum, SlWRKY8: FT WRKY 8 de S. lycopersicum, SlWRKY39: gen homólogo al AtWRKY40, StDREB2: FT DREB2 de S. tuberosum, StMYBlR-1: FT MYB1R1 de S. tuberosum, StNAC2: FT NAC2 de S. tuberosum, TsCBF1: factor de unión 1 a repetición C/DRE de T. halophila, ZmNAC111: proteína de la superfamilia del FT NAC de Z. mays. *Nuevos genes realmente interesantes (RING, por sus siglas en inglés), que contienen un dominio ubiquitina (Ub) E3 ligasa.
MYB
Los FT MYB se caracterizan por poseer un dominio de unión MYB al ADN. Este dominio se compone por tres repeticiones imperfectas de 50 a 53 aminoácidos que forman los giros y motivos en forma de hélice R1, R2 y R3. En animales, las proteínas MYB juegan un papel relevante en el control del ciclo celular, mientras que en plantas están involucrados en procesos fisiológicos en condiciones normales y de estrés [revisado por Jung et al. (2008) y Ding et al. (2009)].
La sobreexpresión de MYB en cultivos de origen neotropical ha permitido conferir tolerancia a sequía (Chen et al., 2015; Shin et al., 2011) y a alta temperatura (40°C) (Meng et al., 2015). La tolerancia a sequía ha sido adquirida por plantas de papa al sobreexpresar el FT StMYBlR-1 que regula la pérdida de agua (Shin et al., 2011), y se pierde en plantas de algodón (Gossypium barbadense) al silenciar el FT GbMYB5 que poseen naturalmente (Chen et al., 2015). Con respecto a la tolerancia al calor, esta se ha incrementado al modificar plantas de tomate para que sobreexpresen el FT LeAN2 que induce la acumulación de antocianinas y la regulación positiva de genes relacionados con la ruta metabólica de estos pigmentos (LeDFR, LeF3H, LeCHS1 y LeCHS2) (Meng et al., 2015).
La adquisición de tolerancia a través de un MYB también puede involucrar cambios fisiológicos en las plantas GM. Para tolerar mejor la sequía se ha visto que los MYB aumentan la sensibilidad al ABA exógeno y, en consecuencia, causan un cierre estomático más rápido. Al ser las células guarda más sensibles al ABA, la respuesta para el cierre estomático en condiciones de sequía ocurrirá con mayor velocidad para así evitar la deshidratación (Shin et al., 2011). También, puede ocurrir un aumento en los niveles de enzimas antioxidantes y en los niveles de prolina, que puede actuar como osmoprotector de las células (Chen et al., 2015). Para aliviar el estrés por calor, además de acumular antocianinas, las plantas incrementan la protección del fotosistema II por acumulación de proteína D1, y se da la reducción de ROS (O2 •− y H2O2) mediante el incremento de la actividad antioxidante no enzimática (Meng et al., 2015).
WRKY
Los genes WRKY conforman la familia más grande de FT que se ha encontrado únicamente en plantas (Eulgem et al., 2000). Los productos de estos genes poseen una secuencia WRKYGQK invariable en el extremo N-terminal y un motivo C-X4-5-C-X22-23-H-X1-H en el extremo C-terminal; además, poseen combinaciones conservadas de residuos de histidina y cisteína separados por dedos de zinc (Rushton et al., 1995). La expresión de estos factores es inducida rápidamente como señal de defensa o por la exposición a estrés biótico y abiótico (Jiang et al., 2017). Además, regulan las vías de transducción de algunas señales hormonales (Birkenbihl et al., 2012; Zhang et al., 2015), están involucrados en el desarrollo de semillas, elongación de brotes (Zhang et al., 2011a), tricomas (Verweij et al., 2016) y raíces laterales (Ding et al., 2015), en la síntesis de carbohidratos (Sun et al., 2003) y en la senescencia (Robatzek y Somssich, 2001). Información reciente sobre esta familia de genes se puede encontrar en Bai et al. (2018).
En cultivos de origen neotropical se ha sobreexpresado el FT SlWRKY39 en plantas de tomate. Se encontró que, además de conferir una mayor tolerancia a factores abióticos, también incrementa la tolerancia biótica a la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomate DC3000, evidenciado por menor crecimiento bacteriano y reducción en los síntomas de la enfermedad en las plantas GM. Con respecto al estrés abiótico, las plantas GM cultivadas bajo estrés salino e hídrico presentaron una menor afectación con respecto a las plantas no GM; inclusive, las plantas GM mantenidas en sequía lograron recuperarse luego de la rehidratación, mientras que las plantas silvestres murieron. También, las plantas GM presentaron una regulación positiva en genes relacionados con la patogénesis (SlPR1 y SlPR1a1) y estrés ambiental (SlDREB2A y SlRD22); sin embargo, estos resultados no fueron suficientes para explicar el mecanismo de acción de las tolerancias adquiridas (Sun et al., 2015).
NAC
Las proteínas NAC son FT específicos de las plantas. El dominio NAC tiene una longitud de aproximadamente 150 aminoácidos y tiene cinco regiones conservadas. Estas proteínas cumplen funciones importantes en el desarrollo de la planta y en respuesta al estrés, tanto biótico como abiótico (Nakashima et al., 2012). Con el fin de determinar el funcionamiento de distintos NAC, se han modificado cultivos de origen neotropical para silenciar estos FT mediante elementos transponibles con repetición invertida miniatura (MITE, por sus siglas en inglés) (Mao et al., 2015) y silenciamiento inducido por virus (VIGS, por sus siglas en inglés) (Thirumalaikumar et al., 2018); también se ha evaluado su funcionamiento mediante la sobreexpresión del gen NAC (Gunapati et al., 2016). En estas investigaciones, además de determinar el efecto del FT en el cultivo de origen neotropical, también se corroboró si en plantas modelo, como Arabidopsis, se obtenían resultados similares (Gunapati et al., 2016; Mao et al., 2015; Thirumalaikumar et al., 2018).
Al silenciar los genes ZmNAC111 y SlJUB1 mediante MITE y VIGS, respectivamente, se encontró que ambos FT cumplen un rol en la tolerancia a la sequía (Mao et al., 2015; Thirumalaikumar et al., 2018). Al estar el gen ZmNAC111 silenciado en maíz se determinó que bajo riego normal la expresión de este FT fue cercana a cero; sin embargo, en condiciones de sequía moderada y severa hubo una menor expresión relativa de este FT en las plantas silenciadas, con respecto a las plantas no GM (Mao et al., 2015). El silenciamiento del gen SlJUB1 en tomate provocó una mayor pérdida de electrolitos y aumento en la concentración de H2O2 y, por consecuencia, mayor daño de las membranas. A nivel genético, se encontró una reducción en la expresión de los genes SlDREB1, SlDREB2 y SIDELLA (Thirumalaikumar et al., 2018).
La sobreexpresión de ZmNAC111 en maíz, GhNAC2 en algodón y en Arabidopsis, y AtJUB1, gen ortólogo de SlJUB1, en Arabidopsis generó cambios a nivel epigenético y fisiológico al someter las plantas a condiciones de sequía (Gunapati et al., 2016; Mao et al., 2015; Thirumalaikumar et al., 2018). A nivel epigenético, se generaron cambios positivos y negativos en la regulación de genes implicados en la respuesta a estrés abiótico, de respuesta a cambios oxidativos, giberelinas (Mao et al., 2015), rutas de biosíntesis de etileno, ABA y ácido jasmónico (JA, por sus siglas en inglés) (Gunapati et al., 2016). Por su parte, se determinó que tanto AtJUB1 como SlJUB1 son regulados positivamente y se unen al motivo de unión JUB1 en los promotores de los genes SlDREB1, SlDREB2 y SIDELLA en condiciones de sequía. Estos genes son de respuesta a estrés y podrían explicar el mecanismo de acción de la tolerancia adquirida (Thirumalaikumar et al., 2018).
A nivel fisiológico, en maíz el FT provocó un uso más eficiente del agua en condiciones de sequía, sin provocar cambios morfológicos negativos (Mao et al., 2015). En el caso de Arabidopsis, el gen AtJUB1 provocó un aumento en el contenido de agua luego de 14-21 días de estar en sequía, menor contenido de malondialdehído (MDA) y aumento en la concentración de enzimas antioxidantes, con respecto a las plantas no GM (Thirumalaikumar et al., 2018), mientras que el GhNAC2 generó una menor pérdida de agua y mayor control de la transpiración (Gunapati et al., 2016). Morfológicamente, la sobreexpresión del FT GhNAC2 incrementó la longitud de las raíces, tanto en condiciones de sequía como de riego. Adicionalmente, las plantas GM de Arabidopsis presentaron un mayor crecimiento vegetativo y hojas más grandes (Gunapati et al., 2016).
Recientemente, se identificaron en cacao (Theobroma cacao) 102 NAC, de los cuales 88 están relacionados con la respuesta a estrés abiótico. Lo anterior se determinó debido a que estos genes poseen elementos de respuesta a estrés mediados por luz, auxinas, giberelinas y heridas. Algunos de estos NAC poseen de cuatro a ocho tipos diferentes de elementos de respuesta a estrés, lo que indica que podrían estar relacionados con la defensa contra más de un tipo de estrés abiótico (Shen et al., 2019). Lo anterior abre una línea de investigación para la mejora genética del cacao para tolerar de mejor manera el cambio climático.
bZIP
Los FT de zipper básico de leucina (bZIP) son proteínas que controlan diferentes procesos biológicos en las plantas. Se han identificado bZIP implicados en diferentes etapas del desarrollo de estos organismos, como por ejemplo durante la regulación de la elongación celular (Fukazawa et al., 2000), el desarrollo vascular (Yin et al., 1997), de semillas (Izawa et al., 1994) y flores (Nan et al., 2014; Strathmann et al., 2001). Adicionalmente, se ha determinado que existen bZIP involucrados en la defensa contra patógenos (Alves et al., 2013) y diferentes tipos de estrés abiótico como salinidad, sequía, frío, rayos ultravioleta B y metales pesados (Banerjee y Roychoudhury, 2017). De los diez grupos de bZIP que se han identificado, se ha determinado que las proteínas del grupo A están estrechamente relacionadas con la respuesta al estrés abiótico dependiente de ABA (Jakoby et al., 2002).
El ABA es una hormona vegetal de respuesta a estrés, y la planta ajusta sus niveles en repuesta a las condiciones ambientales (Banerjee y Roychoudhury, 2017; Tuteja, 2007). Las señales de estrés abiótico, al ser percibidas por receptores de ABA, llevan a la fosforilación los bZIP por serina treonina quinasas. Una vez activados, los bZIP se unen a los ABRE o a elementos acoplados a zonas ricas en GC en las regiones promotoras de genes de respuesta al estrés para incrementar su expresión y así provocar un aumento en la tolerancia al estrés abiótico (Banerjee y Roychoudhury, 2017). En cultivos de origen neotropical, como el algodón y la papa, se han sobreexpresado este tipo de FT y se ha logrado conferir tolerancia a factores abióticos como sequía, salinidad y estrés oxidativo (Kerr et al., 2018; Liang et al., 2016; Moon et al., 2015; Wang et al., 2017a).
En plantas de algodón se ha trabajado con los FT bZIP GhABF2 y ABP9 para generar tolerancia a diferentes factores abióticos. La sobreexpresión de GhABF2 aumentó la tolerancia a salinidad y sequía. Lo anterior se debe a que este FT controla la respuesta a ambos tipos de estrés abiótico mediando la vía de señalización del ABA. Se encontró que, en condiciones de estrés, se da la expresión diferenciada de 68 genes, entre los cuales se encuentran genes de respuesta a estrés salino, sequía y ABA. La adquisición de tolerancia puede deberse a que las plantas, bajo estos tipos de estrés, deben de protegerse en contra de la deshidratación y es conocido el papel del ABA al respecto. Adicionalmente, se incrementó la protección frente al daño por estrés oxidativo que puede ocasionar la salinidad y sequía; esto debido a que aumentó el contenido del osmoprotector prolina y las enzimas catalasa y superóxido dismutasa, involucradas en la eliminación de ROS (Liang et al., 2016).
En cuanto al gen ABP9, se determinó que, al igual que para GhABF2, su sobreexpresión incrementó la tolerancia a salinidad, sequía y estrés oxidativo. Las plantas GM presentaron un incremento en el contenido de azúcares solubles, prolina y clorofila, que puede explicar la mayor tolerancia a sequía y salinidad. Además, se incrementó la actividad de enzimas antioxidantes, lo que generó una reducción en las ROS y en el contenido de MDA que explica la mayor tolerancia al estrés oxidativo. Por último, las plantas presentaron hipersensibilidad al ABA durante la apertura estomática, lo cual está relacionado con el uso más eficiente del agua en condiciones de sequía (Wang et al., 2017).
Por otra parte, se ha reportado un incremento en la tolerancia a sequía al sobreexpresar los FT bZIP ABF endógenos (GhABF2D) y exógenos (AtABF3) en algodón, y el CaBZI en papa (Kerr et al., 2018; Moon et al., 2015). En las plantas GM de algodón se encontró que, conforme aumentaba la expresión de AtABF3, se incrementaba el cierre estomático en respuesta a estrés hídrico, lo cual provocaba la reducción en la transpiración y la productividad fotosintética (Kerr et al., 2018). En las plantas GM de papa en condiciones de sequía o suplementadas con ABA exógeno también se generó una reducción en la pérdida de agua y un cierre estomático más rápido. Aunado a esto, se incrementó la expresión de genes relacionados con la respuesta al estrés y al ABA (Moon et al., 2015). En estos dos ejemplos también se observó la aparición de eventos pleiotrópicos, ya que las plantas GM de algodón redujeron la tasa de crecimiento conforme incrementaba la expresión de GhABF2D (Kerr et al., 2018), mientras que en papa las plantas GM incrementaron el rendimiento en la producción de tubérculos (Moon et al., 2015).
DREB
Los FT DREB son una familia de multigenes que pertenecen a la superfamilia APETALA2/factor de respuesta-etileno (AP2/ERF). Estos factores fueron reportados por primera vez en 1998 en Arabidopsis thaliana y se pueden dividir en dos subclases, DREB1 y DREB2. Los DREB1 actúan en conjunto con factores de unión C-repetidos (CBF) y unen los elementos cis-activos DRE y CRT. Los tres FT DREB1/CBF son claves en la regulación de la expresión génica en respuesta al estrés por baja temperatura; mientras que los DREB2B son altamente inducidos por sequía, alta salinidad y calor [revisado por Wang et al. (2003), Hu y Xiong (2014), Todaka et al. (2015), Liao et al. (2017)].
La sobreexpresión de TsCBF1 en maíz generó un incremento en la tolerancia a la sequía. Dicha modificación causó un aumento en el contenido de prolina y azúcares solubles en las plantas GM con respecto a las plantas no GM, lo cual coincidió con mayor tolerancia adquirida al estrés osmótico. Genéticamente, la acumulación de prolina se ve explicada por un incremento en los niveles de la enzima prolina sintetasa. Un dato importante para destacar es que las plantas GM mostraron un incremento en el rendimiento de producción de granos bajo condiciones de sequía. Si bien solamente se analizó la tolerancia a la sequía, esta modificación podría generar tolerancia a otros tipos de estrés abiótico que deben de ser investigados (Zhang et al., 2010).
Cultivos de origen neotropical, como el maíz y el algodón, han servido de fuente génica para estudiar el funcionamiento de DREBs en otras especies vegetales, como trigo, Nicotiana y Arabidopsis (Gao et al., 2009; Shan et al., 2007; Wang et al., 2011; Zhou et al., 2016). De maíz se aislaron los FT ZmDBP4K, que es inducido por sequía, y ZmDBF3, inducido por sequía, salinidad, altas y bajas temperaturas. En las plantas GM obtenidas se logró generar tolerancia a todos los factores abióticos mencionados anteriormente, con excepción de las altas temperaturas (Wang et al., 2011; Zhou et al., 2016). Con respecto al algodón, se aisló los genes inducidos por frío y alta salinidad GhDREB1 y GhDREB; este último inducido también por sequía (Gao et al., 2009; Shan et al., 2007). En el caso de GhDREB1, las plantas GM únicamente presentaron mayor tolerancia al frío, además de retraso en el crecimiento y floración al cultivarlas en condiciones normales, en comparación con el tipo silvestre no GM (Shan et al., 2007). Por su parte, las plantas que sobreexpresaban el FT GhDREB mostraron tolerancia a los mismos tres factores abióticos que el algodón, sin mostrar efectos pleiotrópicos negativos (Gao et al., 2009).
Edición génica en cultivos de origen neotropical
La edición génica ha tomado fuerza durante la última década. Esta técnica se basa en el uso de nucleasas que inducen ruptura de la doble cadena (DSB, por sus siglas en inglés) de ADN en sitios específicos del genoma, y permite manipular prácticamente cualquier gen al generar deleciones, inserciones o cambios en las secuencias de ADN. Las primeras aproximaciones desarrolladas se basaban en el uso de sistemas de proteínas con afinidades específicas al ADN, como por ejemplo las nucleasas con dedos de zinc (ZFNs, por sus siglas en inglés) y nucleasas efectoras tipo activador de transcripción (TALENs, por sus siglas en inglés) (Gaj et al., 2013; Sander y Joung, 2014; Tang y Tang, 2017).
La metodología que ha tomado mayor relevancia en la actualidad es el sistema CRISPR/Cas9 para la edición génica. Por este medio se pueden alterar genes específicos, ya sea mediante la edición permanente o su regulación temporal. Este método, a diferencia de las ZFN y TALENs, permite tener más de una secuencia objetivo al coexpresar la proteína Cas9 con múltiples ARN guía (ARNg) de forma simultánea (Sternberg y Doudna, 2015). Mediante la edición génica es teóricamente posible realizar cambios tendientes a mejorar rendimiento y calidad de los cultivos, así como también incrementar la resistencia a enfermedades y virus en los mismos (Gaj et al., 2013; Sander y Joung, 2014; Tang y Tang, 2017).
En plantas de maíz se realizó la edición del gen endógeno ARGOS8 mediante CRISPR/Cas9 para generar nuevas variantes. El gen ARGOS8 regula negativamente la respuesta al etileno y se ha visto que su sobreexpresión incrementa el rendimiento en cuanto a producción de granos en condiciones de sequía (Shi et al., 2015, 2017). Para crear las nuevas variantes, el promotor GOS2 del maíz se usó para reemplazar el promotor nativo de ARGOS8, o para ser insertado en la región 5' no traducida de ARGOS8. Al llevar las plantas editadas al campo se encontró mayor rendimiento en la producción de granos bajo condiciones de sequía, en comparación con las plantas no GM. Lo anterior demuestra que la edición de genes endógenos es una alternativa para crear variantes con características agronómicas importantes, como lo son el rendimiento de la producción y tolerancia al estrés abiótico (Shi et al., 2017).
El CRISPR/Cas9 no solamente tiene potencial para generar nuevas variantes genéticas en los cultivos (Shi et al., 2017), sino que también permite comprender el funcionamiento de genes. En plantas de tomate se silenció el gen nativo inducible por sequía SlMAPK3. Luego de un período de estrés hídrico, las plantas editadas presentaron una menor actividad de enzimas antioxidantes, niveles más altos de peróxido y mayor cantidad de daños en membranas, así como también, visiblemente se observó un mayor marchitamiento, con respecto a las plantas silvestres. Genéticamente, las plantas silenciadas presentaron regulación negativa y positiva de distintos genes de respuesta a estrés por sequía. Con los resultados obtenidos, gracias a la generación de plantas editadas mediante CRISPR/Cas9, se pudo esclarecer el mecanismo por el cual este gen genera tolerancia a sequía. En condiciones de sequía, el gen SlMAPK3 se encarga de modular la transcripción de genes relacionados con la respuesta al estrés y además de proteger las membranas celulares del daño oxidativo (Wang et al., 2017b).
En la misma línea de investigación, Li et al. (2019) editaron el gen SlNPR en plantas de tomate para determinar si este cumple alguna función en la respuesta a estrés abiótico. Las plantas editadas presentaron una mayor sensibilidad a sequía relacionada con una mayor apertura estomática, contenido de MDA, pérdida de electrolitos y menor actividad de enzimas antioxidantes. Además, se detectó en las plantas editadas una disminución en la expresión de genes implicados en la respuesta al estrés (SlDREB, SlGST y SlDHN), lo que sugiere que el SlNPR podría estar involucrado en la modulación de su expresión.
CONCLUSIONES
Los diferentes tipos de estrés abiótico, que afectan con frecuencia los agroecosistemas, pueden incrementar en los próximos años con los efectos del cambio climático antropogénico. Para contrarrestar las pérdidas que pueden causar factores abióticos, como sequía, salinidad y cambios en la temperatura, se han implementado técnicas biotecnológicas para conferir tolerancia a estos tipos de estrés. Mediante la transformación genética y edición génica se ha logrado conferir tolerancia en cultivos de origen neotropical con importancia económica a uno o más tipos de estrés ambiental.
Lo anterior ha sido posible debido a la identificación y caracterización de genes que están involucrados en la respuesta al estrés, producción de osmolitos y diversos FT. Sin embargo, la mayor parte de las investigaciones revisadas se limitan a realizar experimentos en el laboratorio con plantas in vitro o en invernadero, por lo tanto, es necesario continuar investigando para determinar cuál va a ser el comportamiento de la planta transgénica o editada genéticamente en un escenario real, el campo, cuando no solamente tenga que lidiar con la sequía, sino también con el resto de factores abióticos y bióticos que la pueden afectar, para determinar si la respuesta se mantiene. A futuro, valdría la pena realizar experimentos de campo con plantas modificadas o editadas genéticamente en zonas afectadas por diferentes factores abióticos de países en los cuales se producen masivamente cultivos de origen neotropical. Por ejemplo, resultaría interesante cultivar en la faja maicera de Estados Unidos líneas de maíz que sobreexpresen TsCBF1, OsMYB55 o betA con el fin de determinar su tolerancia a condiciones extremas.
Por otra parte, valdría la pena modificar los cultivos para que posean más de una estrategia para tolerar el estrés abiótico. Para proteger el tomate de la salinidad y sequía se podría sobreexpresar codA y SlWRKY39. De esta manera se incrementaría la síntesis de GB para generar un efecto osmoprotector y el FT de tipo WRKY desencadenaría una cadena de respuesta para la protección de la planta.
