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Nutri-Breeding: Desarrollo de variedades vegetales con mayor valor nutrauceútico para el mercado chileno
Dentro de cada especie de fruta o verdura se distinguen un sinnúmero de variedades que difieren entre sí en determinadas características, como por ejemplo, el contenido de sustancias con potenciales efectos protectores o beneficiosos para la salud humana (“nutracéuticos”). Identificar las variedades que tienen un mayor contenido de tales sustancias y estudiar los mecanismos genéticos que controlan estas características constituye el primer paso en el diseño de programas de mejoramiento genético y generación de nuevas variedades con un mayor potencial nutracéutico, ofreciendo así a la población alimentos más saludables.
Por Igor Pacheco, PhD. Università degli Studi di Milano, Italia Investigador del Laboratorio de Bioinformática y Expresión Génica, INTA – Universidad de Chile.
Una de las amenazas a las cuales nuestro organismo se encuentra expuesto de forma creciente a medida que nuestra edad aumenta es el “estrés oxidativo”, en el cual ciertos cambios metabólicos propios del envejecimiento, sumados a una dieta con un alto contenido de grasas lleva a la generación de sustancias, llamadas “radicales libres”, capaces de dañar estructural y funcionalmente componentes fundamentales de nuestra fisiología y metabolismo.
El deterioro de tales componentes puede llevar a enfermedades crónicas no transmisibles como obesidad, diabetes mellitus tipo 2 (DM2), enfermedades cardiovasculares, con sus correspondientes factores de riesgo. Estas enfermedades han constituido un creciente problema de salud pública en nuestro país, significando un considerable aumento en el gasto público en salud, y llegando a constituir el 82% de las causas de muertes en el país.
Antioxidantes para enfrentar riesgo de enfermedades metabólicas
En un escenario como éste, tenemos a nuestro alcance un gran abanico de medidas que pueden disminuir notablemente el riesgo de enfermedades crónicas no transmisibles. Entre otros factores de fundamental importancia está la presencia de atributos funcionales en nuestra dieta (frutas, verduras y cereales), como el contenido de sustancias antioxidantes, vitaminas y fibra.
Se ha demostrado en numerosos reportes científicos que un mayor contenido de sustancias antioxidantes, aportadas a través del consumo de frutas y verduras de la dieta, está relacionado con una menor incidencia de enfermedades metabólicas asociadas al estrés oxidativo. Esto se debe a la capacidad de los antioxidantes de reducir la actividad dañina de los radicales libres y de poner en alerta a nuestro organismo frente a su presencia. De este modo, el consumo de antioxidantes contribuye a mantener funciones que reflejan un estado fisiológico saludable, alterando beneficiosamente factores de riesgo para el desarrollo de enfermedades crónicas no transmisibles. Especies de frutas como las ciruelas, frutillas, frambuesas, moras, arándanos, etc., tienen un alto potencial protector al daño oxidativo, así como hortalizas como la betarraga, tomates, albahaca, entre muchas otras. Sin embargo, cada especie dispone de un gran abanico de variedades. Cada variedad (o “cultivar” en jerga técnica) se caracteriza por corresponder a un linaje de plantas seleccionadas artificialmente por distintos métodos genéticos, distinguible de otros cultivares por poseer determinadas propiedades, las que se deben mantener estables en el tiempo: por ejemplo las peras de la variedad ‘Williams’ poseen características de tamaño, sabor, color y rendimiento distintas a las demás variedades de peras; además, estas cualidades distintivas son las mismas en todos los árboles de la variedad y se mantienen constantes en el tiempo, ya que el material genético que las determina es siempre el mismo.
La disponibilidad de una gran cantidad de variedades dentro de cada especie aporta una necesaria diversidad en aspectos de impacto agro-socio-económico (cualidades agronómicas como fecha de cosecha, resistencia a plagas, mantención de calidad entre la cosecha y la venta, entre otras), así como en aspectos de calidad del producto final (color, textura, sabor y contenido de nutrientes entre otros). De este mismo modo, el contenido de sustancias con potencial antioxidante varía de un cultivar a otro.
Algunas de estas sustancias, especialmente aquellas que entregan diversos colores en las distintas variedades dentro de cada especie de fruta o verdura, están asociadas a un potencial efecto protector de la fruta o verdura consumida.
En qué consiste el estudio “breeding”
La generación de variedades implica un conocimiento en la genética de las características de interés en una especie.
Las actividades de “breeding” (o mejoramiento genético de variedades) se caracterizan por comprender estudios de genética, es decir acerca de cómo se heredan los caracteres de interés en familias generadas a partir de cruzas entre variedades progenitoras previamente existentes, en un contexto de variabilidad genética y fenotípica (variaciones en las características expresadas en el producto final).
Estas variedades “progenitoras” generalmente poseen características que se desean juntar en las nuevas variedades. Por ejemplo, si un breeder desea poner en el mercado una nueva variedad de ciruela de buen sabor, buen tamaño y de alto contenido de antioxidantes, y dispone en su colección de una variedad A de buen sabor y tamaño, pero baja en antioxidantes, y otra variedad B rica en antioxidantes pero de baja calidad agronómica y sensorial, al hacer un cruce entre A y B generará una familia de plantas con distintas combinaciones de atributos sensoriales y nutricionales. Entre ellas, el breeder debe seleccionar aquella variedad que mejor junte estas características.
Tales actividades de selección han llevado a aumentar considerablemente el número de variedades dentro de cada especie, así como a cambiar el aspecto de las variedades nuevas respecto a las especies silvestres que han sido domesticadas antiguamente para generar las nuevas variedades.
Estudios de variaciones genéticas
En la literatura científica se describen numerosos estudios de genética a partir de cruces en distintas especies vegetales, cuyo objetivo es encontrar variaciones genéticas (mutaciones naturales) en el abanico varietal en determinadas especies, y así: i) descubrir regiones en el genoma de dichas especies que contienen genes que podrían estar controlando la cantidad de estos compuestos, y ii) desarrollar “marcadores de selección”, para la generación más eficiente de nuevas variedades, por medio del seguimiento de la presencia de la mutación causal en los genes controladores en los programas de cruzas destinados a la generación de nuevas variedades.
Concentrándonos en las características nutracéuticas y funcionales de los alimentos de origen vegetal, en los últimos cinco años se han publicado casi un centenar de artículos donde se reportan las regiones dentro del genoma de distintas especies cuya variación es responsable de la variabilidad en el contenido de sustancias antioxidantes en especies como el manzano, el duraznero, semillas de linaza, zanahoria, tomate, sorgo, mostaza, sésamo, trigo, maíz, frambuesa, semilla de girasol y lechuga entre otras.
El reconocimiento de marcadores moleculares asociados a las distintas variantes (llamadas “alelos”), correspondientes a mutaciones naturales que han ocurrido a lo largo de la evolución, y que dan lugar a la variabilidad genética y a la consecuente variabilidad en la concentración de antioxidantes, es de fundamental importancia para obtener variedades que genéticamente posean un mayor potencial nutracéutico, en tiempos más breves y con un menor gasto de recursos.
Volviendo al ejemplo anterior, si un breeder conoce las regiones del genoma responsables del buen tamaño y sabor en la variedad A y la región responsable del contenido de polifenoles en la variedad B, podrá reconocer de forma rápida, mediante análisis de ADN, aquellas plantas resultantes del cruce que posean simultáneamente las variantes genéticas (alelos) con efectos positivos para el sabor y tamaño (de la variedad A) y concentración de antioxidantes (de la variedad B). De este modo el breeder podría concentrar su actividad de evaluación en campo sólo en la parte de la descendencia que posea las variantes positivas para los caracteres de su interés, con el consecuente ahorro de recursos y rapidez de la obtención de nuevas variedades. En una colaboración científica entre grupos neozelandeses, franceses e italianos (Chagné y colabs., 2012) se estudió el cruce entre las variedades de manzanas ‘Royal Gala’ y ‘Braeburn’, el cual generó una descendencia de alrededor de 120 plantas, las que presentaron distintos perfiles de antioxidantes. Tales perfiles fueron asociados estadísticamente a datos correspondientes a miles de variantes genéticas distribuidas uniformemente a lo largo del genoma de cada una de estas plantas descendientes.
En este estudio se descubrieron siete regiones dentro del genoma del manzano, que controlan el contenido de sustancias antioxidantes tales como flavanoides, flavonoles, antocianinas y ácidos hidroxicinámicos, identificando en algunos casos los genes responsables de la síntesis de estos compuestos en el fruto. Utilizando una estrategia experimental similar, investigadores franceses (Shen y colabs., 2013) han descubierto las regiones asociadas a la producción de frutos con pulpa roja en duraznero y aquellas asociadas a la presencia de los antioxidantes llamados “antocianidinas”. Este descubrimiento es de gran importancia ya que abre al mercado frutícola la posibilidad de aumentar las capacidades nutracéuticas en cultivos que no son famosos por tener tales cualidades, como el durazno.
En consecuencia, y mirando al desarrollo de nuestro país como potencia agroalimentaria, la ejecución de progra-mas de investigación similar a los dos ejemplos nombrados anteriormente podría aportar con un valor agregado a la fruta producida en nuestro país, así como ofrecer a la población alimentos mucho más saludables, ayudando así a una menor incidencia de enfermedades crónicas no transmisibles.
Factores que determinan la eficacia de un antioxidante
Sin embargo, debemos ser cuidadosos cuando utilizamos la palabra “antioxidante”. El contenido de sustancias con actividad antioxidante probada en laboratorio no implica necesariamente un mayor efecto terapéutico en nuestro organismo después del consumo de estos productos.
Existen muchos factores que deben ser considerados al momento de evaluar la capacidad antioxidante de un alimento. Los primeros factores a considerar son la bioaccesibilidad y biodisponibilidad de los compuestos polifenólicos en una matriz alimentaria. Tales factores dependen ya sea de la naturaleza química como de las interacciones que pueda tener cada polifenol con las demás biomoléculas presentes en la matriz.
En el caso de los vegetales, los compuestos fenólicos se encuentran menos accesibles que en su forma libre, y están frecuentemente asociados a otros compuestos estructurales, siendo necesaria la acción de enzimas del tracto digestivo o de la microflora del intestino grueso para permitir su absorción. Para esto, se dispone de estrategias experimentales que consideran el uso de enzimas digestivas antes de determinar el contenido de antioxidantes. Otro factor a considerar es la capacidad de absorción que tiene cada compuesto a través del intestino, para lo cual también existen protocolos de laboratorio. Posterior a los procesos de digestión y absorción, la molécula en estudio es metabolizada en el hígado antes de pasar a la sangre (que es donde se detecta en pruebas in vivo), convirtiéndose en un metabolito, que tiene una actividad antioxidante distinta a la molécula original.
El efecto terapéutico de ciertos polifenoles puede no estar relacionado a sus propiedades antioxidantes, haciendo que el dato de actividad antioxidante in vitro no represente la verdadera actividad que tiene la molécula en la célula. Por otra parte, la medición de capacidad antioxidante de estas técnicas se realiza en un ambiente abiótico, es decir: i) sin las interacciones que esa molécula pueda tener al interior de una célula en condiciones fisiológicas normales, y ii) exponiendo la molécula en cuestión al desafío de una molécula oxidante única, lo cual no sucede in vivo, donde ocurren interacciones con una gran diversidad de moléculas oxidantes, propias de la complejidad metabólica de cada célula.
Aporte del INTA al mejoramiento genético de alimentos
En la Unidad de Nutrición Básica del INTA, estamos trabajando para generar aproximaciones experimentales útiles en la validación del efecto funcional de ciertos alimentos. Específicamente en el Laboratorio de Biología Celular y Molecular, se está poniendo a punto procedimientos técnicos para probar la actividad antioxidante de los alimentos en modelos más cercanos a la realidad, tales como cultivos de células y el efecto modulador que tienen ciertas sustancias con potencial nutracéutico en el ambiente celular. Disponiendo de tales capacidades experimentales, el mejoramiento genético y la generación de nuevas variedades con mayores cualidades nutracéuticas irían de la mano con potentes herramientas de validación de tales actividades.
Además, en el Laboratorio de Bioinformática y Expresión Génica de nuestro Instituto se está comenzando a asistir técnicamente a los programas de mejoramiento genético de fruta en Chile, por medio de la identificación de los genes responsables de un mayor contenido de sustancias con actividad antioxidante en la fruta, lo cual serviría para seleccionar las variedades que presenten un mayor potencial nutracéutico. Además se planea caracterizar cuánto varía la capacidad de asimilación de sustancias con poder antioxidante, presente en distintas variedades vegetales, a través de estudios de cultivos de células intestinales.
Juntando las capacidades de estos laboratorios se proyecta validar las capacidades terapéuticas de las nuevas variedades de fruta que se estarían generando en el país, en distintos tipos de células animales vivas. Esto daría un gran valor agregado a la producción agrícola nacional, ubicándola en un sitio privilegiado dentro del panorama internacional, y de forma más importante, contribuiría realmente al mejoramiento en las condiciones basales de salud de la población chilena, al proveer alimentos con una acción antioxidante validada.
