Selección asistida por marcadores
| ||||
Selección asistida por marcadores. La selección asistida por marcadores (SAM) (en inglés: Marker Assisted Selection, MAS), una técnica moderna de mejora vegetal, ha experimentado en los últimos años una revolución silenciosa que contrasta con la atención pública acaparada por la ingeniería genética. La SAM no sustituye a la mejora vegetal tradicional, pero puede ayudar a hacerla más eficiente. No implica la transferencia de secuencias genéticas aisladas, como la ingeniería genética, sino que ofrece herramientas para seleccionar de manera dirigida el material vegetal existente, facilitando el proceso de mejora vegetal.
Sumario
Generalidades
La obtención de nuevos cultivares por la vía de la mejora clásica o convencional se toma no menos de 8 a 10 años y, en ocasiones, no se garantiza la obtención de ese cultivar mejorado. Sin embargo, la SAM permite hacer mucho más eficiente las estrategias de selección en los programas de mejora de los cultivos. Múltiples ejemplos de variedades mejoradas con la ayuda de la SAM ya están comercializándose, demostrando su enorme potencial para enfrentarse a desafíos como la necesidad de adaptación al cambio climático, la resistencia a enfermedades o unas cualidades nutricionales superiores. Por el contrario, tras 25 años de esfuerzos por parte de la industria y de los políticos afines, la ingeniería genética ha traído únicamente cultivos con dos rasgos principales: tolerancia a determinados herbicidas y resistencia a las plagas.
La Selección asistida por marcadores está ganando una considerable importancia en el incremento de la eficiencia de la mejora de las plantas, al permitir transferir de forma más precisa, que los métodos clásicos de selección, regiones genómicas de interés (“foreground selection”) y acelerar la recuperación del genoma del parental recurrente (“background selection”). La MAS ha sido empleada ampliamente para caracteres de herencia simple y en menor medida para caracteres poligénicos, aunque existen algunos casos exitosos en la mejora de caracteres cuantitativos mediante estas técnicas.
En Cuba se han dado pasos en la identificación y aplicación de la SAM en varios cultivos entre ellos el tomate y la yuca.
¿Qué es la selección asistida por marcadores?
La selección asistida por marcadores (SAM), también denominada mejora vegetal asistida por marcadores, evita este problema utilizando marcadores que están ligados al rasgo deseado. Una vez identificada una secuencia genética que está siempre ligada, por ejemplo, a la resistencia a una enfermedad, esta técnica evita la necesidad de verificar mediante ensayos si cada una de las plantas resultantes de un cruce ha adquirido esta complicada característica: sólo es preciso buscar el marcador mediante una sencilla prueba de ADN, que permite detectar de inmediato qué plántulas han adquirido resistencia y cuáles no. En este proceso no se altera el ADN ni se introducen genes nuevos -se trata de mejora vegetal tradicional ayudada por técnicas moleculares. La SAM se utiliza frecuentemente como sinónimo de Selección con Marcadores y Tecnología Reproductiva Avanzada, también denominada mejora vegetal inteligente (SMART, por las siglas en inglés de esta tecnología).
La SAM puede ser más eficiente, eficaz y fiable que la selección fenotípica. Además, SAM puede reducir considerablemente el tiempo necesario para desarrollar variedades, de modo que en algunos casos resultará más eficaz en términos de coste que la selección basada en fenotipos. La SAM permite asimismo la mejora de rasgos complejos que no era posible con métodos convencionales anteriores. Aunque evidentemente no es un remedio milagroso para todos los problemas, es un enfoque muy prometedor para la mejora vegetal convencional.
Papel del desequilibrio de ligamiento en la selección asistida
Un principio básico de la selección asistida es explotar el desequilibrio de ligamiento (DL). En teoría, si existe un valor de DL suficientemente fuerte, la selección asistida por marcadores debería ser fácil, rápida y más eficiente que los procedimientos clásicos o convencionales de mejora genética. Por ello esta alternativa se integra progresivamente a las prácticas tradicionales de mejoramiento en los países en desarrollo. El DL varía ampliamente a través del genoma y en regiones con un bajo valor de DL se requiere una alta saturación de marcadores para detectar esa asociación. Por tal razón, la eficiencia de la mejora asistida por marcadores depende también del grado de saturación de los mapas genéticos: con mapas más densos existe mayor probabilidad de descubrir marcadores polimórficos en cualquier genoma o región de interés.
El impacto de las técnicas de selección asistida por marcadores
Los científicos que utilizan técnicas de SAM consideran que las plantas y su genoma constituyen un sistema coherente, y no interfieren en los mecanismos reguladores a nivel genético. Para conseguir rasgos determinados en las plantas no es necesario identificar los genes que influyen directamente en las características buscadas. Ni se necesita tampoco conocer ni comprender los mecanismos de regulación de la expresión génica. Es suficiente saber que dentro del genoma determinadas estructuras están relacionadas con cualidades concretas de las plantas.
La SAM representa perfectamente el nuevo paradigma de la biotecnología de la época post-genómica. Las técnicas de SAM aprovechan los sistemas naturales desarrollados y refinados por la evolución, los resultados de su utilización podrían ser más fiables que la ingeniería genética.
Un ejemplo ilustrativo de la importancia de la selección asistida por marcadores es su aplicación para la identificación de genes waxy en trigo pan. Los trigos parcialmente waxy se caracterizan por presentar una reducción en el contenido de amilosa asociada a la presencia de variantes alélicas nulas en uno o dos loci waxy. Los trigos parcialmente waxy son altamente apreciados para la producción de cierto tipo de fideos asiáticos denominados noodles. La caracterización completa y las diferentes variantes alélicas funcionales detectadas para los genes waxy puede obtenerse de los trabajos de Vanzetti en el 2009 y 2011.
En Cuba se han dado pasos importantes hacia la implementación de técnicas de mejora asistida en varios cultivos, ejemplo de ello son los resultados en tomate y yuca. En el caso específico de la yuca, en colaboración con el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) de Colombia, se logró el diseño y utilización de nuevos cebadores específicos a partir de secuencias de genes de la ruta metabólica del almidón con alta homología con el genoma de yuca. Con ellos fue posible, mediante estrategias de desequilibrio de ligamiento (DL) y de mapeo de asociación, identificar seis marcadores moleculares asociados a los más bajos porcentajes de materia seca, un carácter muy importante en el cultivo.
Si bien fue solo el inicio de las investigaciones en la temática, este estudio representa el primero desarrollado en el cultivo utilizando una población natural (específicamente en cultivares del germoplasma conservado en Cuba) y abre las posibilidades de hallar en el futuro marcadores asociados a alto porcentaje de materia seca, lo cual es esencial hacia el objetivo de potenciar la obtención de cultivares con esa característica para fines industriales.
Perspectivas de la SAM para la mejora genética en cultivos de interés
Si bien la SAM continúa siendo un procedimiento costoso, su adopción en los programas de mejora continuará incrementándose, sin embargo, los países en vías de desarrollo deberán crear las capacidades para la aplicación de estas tecnologías y trazar estrategias específicas para algunos cultivos. Sin lugar a dudas, la importancia del cultivo determina su amplitud de empleo; el uso de marcadores de ADN es rutinario en maíz, arroz o soya pero no es así en otros cultivos.
En la actualidad, existe una gran fortaleza técnica que ha permitido avanzar en el ‘genotipado y ‘fenotipado’ de los principales cultivos de importancia agrícola. Sin embargo, el éxito de la SAM a escala particular de los programas de mejora depende de muchos factores críticos, como el número de genes de interés a ser transferidos, la distancia entre éstos y los marcadores que lo flanquean, el número de genotipos a seleccionar en cada generación, el tipo de cultivo y las facilidades de laboratorio para el trabajo con los marcadores. Otra dificultad es que a pesar de los avances en el descubrimiento y saturación de los mapas genéticos, solamente unos pocos loci de genes importantes han sido reportados con la documentación suficiente para reproducir la localización de éstos o, simplemente, faltan los trabajos de ligamiento que deben existir entre el marcador informado y su aplicación.
Barone et al. (2009) hizo referencia a la necesidad de una mayor explotación de la plataforma bioinformática existente y desarrollar métodos que permitan integrar las grandes bases de datos de los sistemas biológicos.
Fuentes
- Álvarez, M.; Lara, R. M.; Rodríguez, J.; Fernández-Muñoz, R. y Cuartero, J. Incorporación del gen Mi a variedades de tomate mediante el marcador Aps-11. Cult. Trop., 2006, 27 (3), p. 69-73.
- Barone, A.; Di Matteo, A.; Carputo, D. y Frusciante, L. High-Throughput Genomics Enhances Tomato Breeding Efficiency. Curr Genomics, 2009, 10(1), p.1–9.
- Beovides, Y. (2014). Caracterización de la variabilidad genética e identificación de marcadores moleculares asociados al porcentaje de materia seca en accesiones cubanas de yuca (Manihot esculenta Crantz). Tesis de Doctorado, Facultad de Biología, Universidad de la Habana Cuba, 156 p.
- Epstein J., Morris C. F. and Huber K. C. 2002. Instrumental texture of white salted noodles prepared from recombinant inbred lines of wheat differing in the three granule bound starch synthase (waxy) genes. Journal of Cereal Science 35:51-63.
- Gore MA; MH Wright; ES Ersoz; P Bouffard; ES Szekeres; TP Jarvie; BL Hurwitz; A Narechania; TT Harkins; GS Grills; DH Ware y ES Buckler (2009) Large-scale discovery of gene-enriched SNPs. Plant Genome 2: 121–133.
- Hospital F (2009) Challenges for effective marker-assisted selection in plants. Genética 136(2): 303-310.
- Ibitoye DO y Akin-Idowu PE (2010) Marker-assisted-selection (MAS): A fast track to increase genetic gain in horticultural crop breeding. Afr J Biotechnol 9: 8889-8895.
- Kumar S; TW Banks y S Cloutier (2012) SNP discovery through next-Generation sequencing and its applications. Int J Plant Genomics: 831460, doi:10.1155/2012/831460.
- Nakamura T., Yamamori M., Hirano H. and Hidaka S. 1993. Decrease of waxy (Wx) protein in two common wheat cultivars with low amylose content. Plant Breeding 111:99-105.
- Rabbi IY; HP Kulembeka; E Masumba; P Reddy y M Ferguson (2012) An EST-derived SNP and SSR genetic linkage map of cassava (Manihot esculenta Crantz). Theor Appl Gen 125(2): 329-342.
- Vásquez A y C López (2012) Identificación de polimorfismos en genes candidatos de resistencia en yuca (Manihot esculenta Crantz). Acta Agronómica 61(2): 133-142.
- Varshney RK, Beier U, Khlestkina E, Kota R, Korzun V, Röder M, Graner A and Börner A. (2007) Single nucleotide polymorphisms in rye: discovery, frequency and applications for genome mapping and diversity studies. Theor Appl Gen, 114:1105–1116.
- Vanzetti LS; LA Pflüger; M Rodríguez-Quijano; JM Carrillo and M Helguera (2009). Genetic variability for waxy genes in Argentinean bread wheat germplasm. Electron J Biotechnol, 12(1), 4-5.
- Vanzetti L; P Campos; M Demichelis; L Lombardo; LM Vaschetto; PR Aurelia; C Bainotti y M Helguera (2011) Identification of leaf rust resistance genes in Argentinean hexaploid wheat (Triticum aestivum L.) using molecular markers and traditional gene postulation. Electron J Biotechnol., 14:e9–9.
