Las tecnologías en ingeniería genética seguirán desarrollándose gracias a los programas de selección asistida por marcadores moleculares que aceleran la búsqueda de caracteres de interés, abarcando las necesidades nutricionales de la población y explotando las características propias de las frutas y verduras.
Por Lee Meisel, Ph.D. en Microbiología y Genética Molecular de Rutgers University, Profesor Asociado, INTA – Universidad de Chile y Karen Mujica, Magíster en Bioquímica, UNAB
Las plantas y los animales han evolucionado juntos desde que existe vida en la tierra y, de la misma forma, el ser humano era consciente de la importancia y los beneficios que tiene para su salud incluir frutas y verduras en su dieta; conocimiento que parece haber quedado en el olvido. La realidad es que hoy las personas consumen más los alimentos procesados que aquellos que provienen de la tierra, situación que ha generado notorios efectos epigenéticos que explicarían el aumento de enfermedades crónicas no transmisibles en todo el mundo. Hace quince años, cuando ocurrió la secuenciación del primer genoma de planta se volvió a constatar que los nutrientes y compuestos bioactivos de las frutas y verduras son esenciales para combatir la obesidad, la diabetes y los problemas del corazón. Es por esto que iniciativas como “5 al Día”, encargadas de promover su consumo, son vitales en estos tiempos.
Los análisis bioquímicos clásicos de estos compuestos, que se realizan desde hace varios años, han permitido describir la composición nutricional de las frutas y verduras que incluye compuestos como los carotenoides, flavonoides y varios otros biológicamente relevantes. Más de cinco mil flavonoides, así como más de setecientos carotenoides y numerosos tipos de carbohidratos han sido descritos en plantas, indicando la complejidad evolutiva de los mecanismos de regulación y rutas metabólicas vinculadas a la producción y/o acumulación de estos compuestos en diferentes especies.
En 1999 Dean Della-Penna propuso el término “genómica nutricional” o “nutrigenómica” para describir la especialidad que relaciona la bioquímica de las plantas con la genómica y la nutrición humana. Los recientes avances tecnológicos en las disciplinas ómicas han entregado valiosas herramientas que ayudan a comprender la contribución que la diversidad genética ha hecho en el aumento de la diversidad de compuestos nutricionales que presentan las frutas, además de permitir determinar la velocidad de las etapas claves de la producción y acumulación de estos compuestos, así como los polimorfismos que podrían haber dado lugar a tal diversidad.
Comparando Peras con Manzanas
El alto valor nutricional de la familia Rosaceae o también conocida “familia de las rosas” y su gran cantidad de compuestos bioactivos están presentes en frutas de importancia económica como la manzana (género Malus), la pera (género Pyrus), las frambuesas y moras (género Rubus), las frutillas (género Fragaria), los nísperos (género Eriobotrya) y aquellos de hueso o carozo como el durazno, las ciruelas, las cerezas, las almendras y los damascos (género Prunus). Durante el 2014 el 51% de las exportaciones chilenas de fruta fresca correspondió a miembros de esta familia que, junto con ser un aporte para la economía nacional, ha sido esencial para el progreso de la ciencia en estos temas. Hemos participado en la secuenciación del genoma de la frutilla y el durazno y, hasta la fecha se ha publicado el genoma completo de otros cuatro integrantes de esta familia: el manzano, la frutilla, el duraznero y el peral. Las investigaciones en conjunto con la Comunidad Internacional de la Rosaceae continúan avanzando con el objetivo de seguir secuenciando el genoma de otras especies.
El análisis del valor nutricional de los diferentes miembros de la familia Rosaceae demuestra que su diversidad genética ha dado lugar a variaciones en la producción y/o acumulación de compuestos nutricionales funcionales. Por ejemplo, los niveles de provitamina A, vitamina C y antioxidantes varían en cada especie. Adicionalmente, el durazno y la frutilla son bajos en calorías si se comparan con otras especies de las rosáceas, lo que sugiere diferencias en la proporción de hidratos de carbono versus fibra. Estas diferencias en los compuestos nutricionales funcionales insinúan la posible existencia de una variación genética que subyace a la variación fenotípica.
Los programas de mejoramiento genético permiten la existencia de cultivos comerciales de alto nivel nutricional, como la manzana JazzMR, obtenida de una cruza entre la variedad Braeburn y Royal Gala en Nueva Zelanda. Hoy se cultiva JazzMR internacionalmente en países como Estados Unidos, Nueva Zelanda, Francia y Chile. En los últimos años la combinación del mejoramiento tradicional con información genómica y programas de selección asistida por marcadores moleculares ha aumentado la eficiencia y precisión de los “Programas de Mejoramiento Genético”. Estas herramientas permiten seleccionar frutas de mejor calidad con un alto valor nutricional que contribuye a la disminución del uso de pesticidas. A nivel internacional existen programas para identificar genes candidatos y marcadores moleculares para estos “Programas de Selección Asistida por Marcadores” (por ejemplo, Rosbreed en EE.UU. y FruitBreedome en Europa) que cuentan con más de doscientos cincuenta marcadores asociados con caracteres de interés en los miembros de la familia Rosaceae.
Los análisis de genómica comparativa entre diferentes miembros de esta familia están entregando información sobre marcadores y el gen o los genes claves para la variabilidad fenotípica entre estas especies. Por ejemplo, el color de la piel y la carne de la manzana, cereza y durazno está regulado por el gen MYB1/10. Esta comparación genómica también permite identificar las variaciones moleculares entre la sensación dulce y/o amargo que ocurre cuando masticamos un fruto. En colaboración con científicos de la Washington State University y de la Facultad de Ciencias Agronómicas de la Universidad de Chile, hemos identificado un polimorfismo tipo SNP (de un solo nucleótido) en el locus SK que se correlaciona con esta sensación.
La genómica también nos está permitiendo entender cómo se desarrollan las frutas a nivel molecular. Con el financiamiento de Conicyt (Fondecyt #1121021) hemos identificado genes que regulan su expresión en respuesta a fitohormonas durante el desarrollo de duraznos y cerezas. Comparando estas especies y su regulación a nivel molecular podemos comenzar a identificar los genes que regulan el desarrollo de estas frutas y cuáles son los que gatillan la acumulación de nutrientes esenciales y compuestos bioactivos.
Alternativas que aumentarían el valor nutricional de la fruta
Utilizando herramientas moleculares y programas de mejoramiento genético, asistidos por la ingeniería genética y otros métodos menos tradicionales, se han logrado mejoras a nivel nutricional en las frutas que han tenido un gran alcance biotecnológico. En el laboratorio del Centro John Innes de Norwich en Inglaterra la ingeniería genética permitió obtener un tomate morado seleccionando un gen que sintetiza antocianinas, pigmentos que le dan a las frutas y verduras colores rojizos y morados. Los científicos tomaron dos genes de la planta draconiana para introducirlos en un tomate y el resultado fue un tomate morado rico en el antioxidante antocianina en un nivel similar al nivel que está presente en frutos como el arándano, pero en este caso, en una verdura de alto consumo. Lo atractivo es que este tomate puede mejorar el nivel nutricional en todos los productos alimenticios derivados de él, desde una salsa a una pizza. En Nueva Zelanda los científicos han desarrollado manzanas cuya carne es roja debido al alto contenido de antocianinas como consecuencia de una sobre expresión del gen MYB10 que está involucrado en el aumento de la síntesis de antocianinas. Si bien estas manzanas son transgénicas y contienen altos niveles de antocianinas éstas no afectan su sabor. También se ha logrado que trozos de manzana no se oxiden para que la fruta se mantenga fresca por más tiempo. Las manzanas con esta característica, producidas por Okanagan Specialty Fruits Inc. de Canadá, son las primeras manzanas transgénicas aprobadas para la venta en EE.UU. (USDA en febrero de 2015 y FDA en marzo de 2015).
Estamos seguros que las tecnologías en ingeniería genética seguirán desarrollándose gracias a los programas de selección asistida por marcadores moleculares que aceleran la búsqueda de caracteres de interés, abarcando las necesidades nutricionales de la población y explotando las características propias de las frutas y verduras.
A 16 años desde la secuenciación del primer genoma vegetal: dónde estamos
El primer genoma vegetal fue secuenciado y publicado hace quince años en la revista Nature. La planta fue Arabidopsis thaliana, una maleza que hoy en día es conocida internacionalmente como la mejor especie modelo para estudiar la función de los genes. La secuenciación del genoma de Arabidopsis fue el comienzo de una nueva era para la genética molecular en plantas, acelerando rápidamente la producción y disponibilidad de datos en diferentes especies vegetales. Distintas colaboraciones internacionales han permitido la secuenciación de muchos genomas incluyendo arroz (Oryza sativa), álamo (Populus trichocarpa), uva (Vitis vinifera), papaya (Carica papaya), frutilla (Fragaria vesca), papa (Solanum tuberosum L.), tomate (Solanum lycopersicum) y durazno (Prunus persica), entre otros.
