Inducción de mutaciones

Inducción de mutaciones Concepto: procedimientos que reorganizan la composición genética de las plantas sin modificar el genoma.

Las mutaciones inducidas en especies vegetales son procedimientos utilizados desde hace más de ochenta años, que emplean la radiación para reorganizar la composición genética sin modificar el genoma de las plantas que permitan aumentar y mejorar su rendimiento .

El cultivo de tejidos

El cultivo de tejidos vegetales puede ayudar a mejorar en forma efectiva la inducción de mutaciones en varios aspectos. Ofrece la posibilidad de elegir el material vegetal para el tratamiento (yemas axilares, órganos, tejidos y células), lo que es más adecuado comparado con un tratamiento in vivo, ya que se disminuye el riesgo de obtener quimeras y hay una alta posibilidad de que las células mutadas expresen la mutación en el fenotipo. El cultivo de tejidos también permite el manejo de grandes poblaciones y la selección y clonación de las variantes seleccionadas. Además, ofrece la posibilidad de realizar en forma rápida los ciclos de propagación con el propósito de separar los sectores mutados de los no mutados del tejido tratado, y permite un control de las condiciones fitosanitarias durante todo el proceso

Mutágenos

Entre los mutágenos que se utilizan para esta técnica de generación de variabilidad podemos encontrar agentes físicos o químicos capaces de alterar o cambiar la información genética de un organismo y ello incrementa la frecuencia de mutaciones por encima del nivel natural.

Mutágenos químicos

Se conocen varios productos químicos que son mutagénicos, clasificándose según su modo de acción en:

• Análogos de bases: Debido a su similitud estructural los análogos de bases como el 5-Bromouracilo o la 2-Aminopurina se incorporan en el ADN que se replica en lugar de las bases correspondientes timina y adenina. Cuando uno de estos análogos de bases se incorpora en el ADN, la replicación puede ocurrir normalmente, aunque ocasionalmente, ocurren errores de lectura que resultan en la incorporación de bases erróneas en la copia de ADN.
• Agentes que reaccionan con el ADN: Existen una serie de agentes químicos que reaccionan directamente sobre el ADN que no se está replicando ocasionando cambios químicos en las bases, lo que provoca un apareamiento incorrecto.
• Acido nitroso (HNO₂). Deamina la adenina a hipoxantina y la citosina a uracilo. Debido a las distintas propiedades de apareamiento de los productos de deaminación, se producen transiciones.
• Hidroxilamina (NH₂OH). Reacciona con la citosina donde el grupo amino es reemplazado por un grupo hidroxilamino. Este derivado de la citosina se aparea con adenina produciéndose transiciones GC ----> AT.
• Agentes alquilantes: Otro grupo de productos químicos que afectan al ADN que no se replica son los agentes alquilantes, que incluyen el etil metano sulfonato (EMS), metil metano sulfonato (MMS), dietil sulfato (DES), diepoxi butano (DEB), N-metil-N-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG), N-metil-N-nitroso urea y gas mostaza.
• Agentes intercalantes: Un grupo interesante de sustancias, acridinas y bromuro de etidio, son moléculas planas que se insertan entre dos pares de bases del ADN, separándolas entre sí. Durante la replicación, esta conformación anormal puede conducir a microinserciones o microdelecciones en el ADN.

Mutágenos físicos

• Rayos X: Se sabe que los rayos X se originan en electrones y no en energía nuclear. Al igual que los rayos gamma y la luz ultravioleta (UV), los rayos X son radiaciones electromagnéticas emitidas como quanto, su diferencia se basa en las longitudes de onda; 0,001-1 O nm para rayos gamma y rayos X en comparación con 2000-3000 nm para luz UV. En una máquina de rayos X, los electrones se aceleran eléctricamente en un alto vacío y luego se detienen abruptamente al golpear un objetivo ej.: una barrera de tungsteno, oro o molibdeno que produce la emisión de radiación. Para la inducción de mutaciones, generalmente se prefieren los rayos X duros (longitud de onda corta) ya que su penetración es mayor que los rayos X blandos (que tienen una longitud de onda más larga). La longitud de onda más corta emitida (excepto para máquinas de potencial constante) está relacionada con el voltaje de operación pico (kVp) del tubo de rayos X, cuanto mayor sea el kVp, menor será la longitud de onda. Filtros específicos, ej.: filtro de aluminio: 0,5 nm, a menudo se utilizan en la producción de rayos X para absorber la radiación suave no deseada. El kVp, los miliamperios (mA), el grosor y el tipo de filtro, la distancia del tubo al objetivo, la dosis y la tasa de dosis afectan los resultados y siempre deben registrarse.
• Radiación Gamma: En general, los rayos gamma emitidos por la desintegración de un núcleo inestable de un átomo, tienen una longitud de onda más corta y, por lo tanto, poseen más energía por fotón que los rayos X. La radiación gamma mono energética se obtiene generalmente de radioisótopos, en contraste con los rayos X. Una instalación de irradiación gamma se puede utilizar de manera similar a una máquina de rayos X para exposiciones agudas o semi agudas. Los irradiadores de células gamma (gammacell) son los emisores más utilizados para la inducción de mutaciones de plantas, ya que en 2004 había alrededor de 200 irradiadores gammacell en uso en todo el mundo. Sin embargo, la fuente de radiación gamma tiene una clara ventaja para los tratamientos prolongados, ya que puede colocarse en una cámara de ambiente controlado, en un invernadero o en un campo para que las plantas puedan estar expuestas en varios momentos y en varias etapas de desarrollo. Los isótopos Cobalto 60 (6°Co) y Cesio 137 (137Cs) son las principales fuentes de rayos gamma. Además de los isótopos radiactivos naturales, se pueden producir rayos gamma artificiales utilizando ciclotrones. El cesio-137 tiene una vida media de 30,17 años y se usa en muchas instalaciones, ya que es mucho más larga que la vida media de Cobalt-60, que es de 5,26 años. Cabe señalar que estos dos radioisótopos deben, en todo momento, estar protegidos en contenedores de plomo, por razones de seguridad. Las Normas Internacionales de Seguridad para la Protección contra las Fuentes de Ionización o el Manual Básico de Normas de Seguridad, publicado por el OIEA en 2016, proporcionan detalles para el manejo seguro de estas fuentes gamma.

• Radiación Ultravioleta: La luz ultravioleta (UV) es una radiación no ionizante en la longitud de onda comúnmente empleada (por ejemplo, la línea de lámparas germicidas de mercurio de 2537 nm), pero se ha utilizado con frecuencia en la inducción de mutaciones de plantas, especialmente en granos de polen, y en cultivos de células y/o tejidos vegetales. Las radiaciones UV generalmente se dividen en tres clases: UV-A, UV-B y UV-C. La región UV-C del espectro UV incluye longitudes de onda inferiores a 280 nm; la radiación UV-B de 280 a 320 nm, y las longitudes de onda UV-A de 320 a 390 nm. La luz ultravioleta tiene una penetración limitada en los tejidos y su uso está restringido al tratamiento de materiales sensibles, a menudo células individuales o tejidos de una sola capa, como esporas, cultivos de células en suspensión y granos de polen. Sin embargo, el uso cada vez mayor del cultivo de células y tejidos para el mejoramiento por mutación de las plantas ha llevado a un mayor uso de la luz UV como agente mutagénico, especialmente cuando se buscan genes mutantes únicos. Para realizar evaluaciones cuantitativas de los resultados experimentales, ha resultado necesario usar luz UV-C monocromática (o casi monocromática) porque ha confirmado los efectos biológicos sobre la fotosíntesis, la respiración oscura y la transpiración. La investigación inicial sobre la luz UV se centró en el daño del ADN, su reparación y la irradiación de polen. Este último mostró la reactivación de los elementos transponibles o transposones y, por lo tanto, la mutación genética indirecta. Se pueden encontrar descripciones de equipos y procedimientos para tratar materiales vegetales con luz UV. La luz UV-B tiene un fuerte efecto en las zonas superficiales o cercanas a la superficie de las células vegetales, incluida la estructura de los plástidos (principalmente membranas tilacoides) y, por lo tanto, en la fotosíntesis.
• Radiación Alfa: son estructuralmente equivalentes al núcleo de un átomo de [[helio y se emiten desde radionúclidos con números atómicos mayores que 82, como el Radio y el Plutonio. Son considerados peligros potenciales para la salud cuando se ingieren o inhalan, pero su bajo poder de penetración en el tejido, p. ej: a través de la epidermis, los vuelve bastante ineficientes para la inducción de mutaciones en las plantas.
• Radiación Beta: Las partículas beta (electrones) se emiten desde el núcleo de un átomo durante la desintegración radiactiva, y son efectivas para inducir mutaciones. Las partículas beta, tales como las de 3H, 32P y 35S, producen en el tejido objetivo efectos similares a los de los rayos X o gamma, aunque la penetración de las partículas beta es menor que la de los rayos X o gamma. Sin embargo, esta dificultad puede resolverse mediante la colocación de los radioisótopos en una solución administrada directamente al material vegetal objetivo. Por lo tanto, 32P o 35S pueden incorporarse directamente en los núcleos celulares e inducir mutaciones como se observa en el arroz y el algodón. Debido a la variabilidad de tejido a tejido y de célula a célula, es difícil determinar la dosis interna exacta de partículas beta y, por lo tanto, su uso en la reproducción de mutaciones ha sido limitado.
• Neutrones: Tienen un amplio rango de energía y son obtenidos de la fisión nuclear en un reactor nuclear con 235 U. Los neutrones han mostrado ser muy efectivos en la inducción de mutaciones en plantas. El neutrón es estable solo en los confines del núcleo del átomo, una vez separado del núcleo, el neutrón se descompone con una vida media de aproximadamente 15 minutos, y libera varias energías cinéticas. Los neutrones térmicos (0,4--100 eV) y rápidos (200keV-1 OMeV) son los más utilizados actualmente para la inducción de mutaciones de plantas. El radionúclido Califomium-252 (252Cf) es actualmente el más utilizado como fuente espontanea de neutrones. Se ha demostrado que los neutrones son altamente efectivos para la inducción de mutaciones en plantas. Sin embargo, su uso práctico se ha visto obstaculizado por la falta de técnicas de dosimetría adecuadas, por la falta de dosimetría uniforme entre varias instalaciones de reactores, y por la variedad de procedimientos para informar la dosis y el espectro de neutrones utilizados. Por lo tanto, existe cierta confusión con respecto a los resultados de los primeros experimentos de neutrones. Sin embargo, en la última década, la situación ha mejorado considerablemente y los procedimientos recomendados ahora están disponibles para la inducción de mutaciones, ej.: en el informe sobre la irradiación de neutrones de semillas con neutrones.

Referencias

• Ahloowalia, B.S .1998. In vitro techniques and mutagenesis for the improvement of vegetatively propagated plants, en: Jain MS Brar DS Ahloowalia BS(eds). Somaclonal variation and induced mutations crop improvement, 293-309 p.
• Novak, F., H. Brunner.1992. Plant breeding: Induced mutation technology for crop improvement. IAEA bulletin, 4: 25-33p.
• Predieri, S., R.H. Zimmerman. 2001. Pear mutagenesis: In vitro treatment with gamma-rays and field selection for productivity and fruit traits. Euphytica 3: 217-227p.
• FAO/OIEA. 2021. Manual de mejoramiento por mutación - Tercera edición. Spencer-Lopes, M.M, Forster, B.P. y Jankuloski, L. (coords.) Viena FAO. https://doi.org/10.4060/i9285es