CRISPR-Cas: Innovaciones en la mejora genética del maíz para la sostenibilidad y seguridad alimentaria en México
La edición genética tiene el potencial de contribuir al mejoramiento de los cultivos agrícolas, ofreciendo herramientas para introducir cambios deseados en el genoma de las plantas. Entre los instrumentos para la edición genética, la tecnología CRISPR-Cas destaca por su capacidad para editar genes con precisión, abriendo nuevas posibilidades para la creación de germoplasma de maíz con mejor rendimiento, mayor resistencia a plagas y enfermedades, tolerancia a condiciones climáticas adversas y mejor calidad nutricional.
En el mundo, la implementación de CRISPR-Cas en el mejoramiento del maíz ya está en marcha, con resultados prometedores que subrayan su potencial para enfrentar los desafíos agrícolas del siglo XXI. Sin embargo, en México, país centro de origen y domesticación del maíz, las políticas públicas actuales parecen limitar la adopción de esta tecnología innovadora. Un argumento común en contra de la edición genética del maíz es la de proteger las líneas criollas y la diversidad del maíz en México. Sin embargo, valorar y utilizar la diversidad genómica del maíz en México es precisamente de las principales ventajas de la edición genómica. La posibilidad de hacer cambios discretos en la secuencia de genes nos facilita aprovechar la diversidad alélica en maíz en dos sentidos. Por un lado, se podría reconstituir en líneas mejoradas de maíz que ya son de uso común alelos útiles descubiertos en maíces criollos. Por otro lado, la edición genómica podría conferir resistencia a plagas u otras características a líneas criollas haciendo cambios muy precisos al genoma. En ambos casos se evita hacer tantas cruzas como en el mejoramiento tradicional en donde se mezclan todas las características de las dos líneas y después es necesario seleccionar otra vez los rasgos deseados, un proceso largo y laborioso.
En este artículo, exponemos los avances recientes en la aplicación de CRISPR-Cas para la edición genética del maíz, destacando estudios claves y casos de éxito en otros países. Además, exponemos los desafíos técnicos y éticos asociados con esta tecnología. Nuestro objetivo es resaltar el potencial de CRISPR-Cas en México para mejorar el maíz en su productividad y resistencia al cambio climático, asegurando así su sostenibilidad y beneficios para generaciones futuras.
Origen y principios de CRISPR-Cas9
Los elementos CRISPR (repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas; en inglés Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) existen naturalmente en el genoma de muchas especias de bacterias y otros organismos unicelulares. Las secuencias CRISPR derivan del ADN de los virus y plásmidos (ADN circular que se puede transferir entre células) que infectan a las bacterias. Como las secuencias CRISPR son iguales a las secuencias de los virus que infectan a las bacterias, sirven como un sistema inmune: cuando un virus infecta una célula bacteriana, las secuencias CRISPR se transcriben para hacer moléculas de ARN cortas llamadas RNA guías (gRNA) que sirven para llevar la enzima Cas9 al ADN del virus o plásmido. Como Cas9 es una enzima endonucleasa, Cas9 corta e inhabilita la secuencia del virus o plásmido, cumpliendo su función como un tipo de sistema inmunitario procariótico (Horvath & Barrangou, 2010; https://es.wikipedia.org/wiki/CRISPR).
El descubrimiento del sistema CRISPR-Cas en microorganismos estableció las bases para optimizar el sistema de los gRNA y la enzima Cas9 para modificar genes de manera precisa en otros organismos, resultando en un Premio Nobel de Química para Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna en el año 2020. Inicialmente, el sistema de CRISPR-Cas9 fue utilizado para cortar una secuencia específica de ADN, lo que generaba errores ocasionales en la reparación de la ruptura de la cadena del ADN y consecuentemente la inactivación del gen. Últimamente, los sistemas de CRISPR-Cas9 se han vuelto más sofisticados, sirviendo no sólo para inactivar genes, sino también para generar cambios precisos en la secuencia de genes de manera que se pueda regular su expresión. Quitar la función de un gen puede ser útil para el mejoramiento, por ejemplo, inactivando un receptor que es necesario para que un patógeno pueda entrar a la célula de una planta, mientras que cambios precisos podrían resultar en la actividad mejorada de una enzima o en un cambio de los elementos reguladores de genes.
En el contexto del mejoramiento del maíz en México, CRISPR-Cas9 resulta una alternativa crucial debido a las restricciones sobre cultivos transgénicos. Es importante resaltar que, a diferencia de los cultivos transgénicos tradicionales que requieren los transgenes para su funcionalidad, los cultivos editados mediante CRISPR producen plantas agrícolas prácticamente idénticas a la planta original, ya que eliminan cualquier componente transgénico requerido durante su creación, por lo que esta tecnología se posiciona como una alternativa real para desarrollar variedades de maíz capaces de responder a los desafíos actuales del campo y de brindar beneficios directos a los agricultores
El mejoramiento convencional comparado con la edición genómica
En los últimos 100 años, casi todos los avances en la productividad del maíz y de otros cultivos han sido por el mejoramiento convencional. El mejoramiento convencional utiliza la variación genética que existe en líneas criollas para transferir rasgos útiles a líneas ya mejorados (líneas élites) a través de cruzas. La mayoría de esta variación genética consiste en diferentes secuencias de genes, que se llaman ‘alelos’, es decir los alelos de un gen son variantes del mismo gen. Considerando la vasta diversidad genética del maíz criollo en México, en el país existen cientos de alelos de cada gen de maíz. Por eso las líneas criollas de México (y también la diversidad de maíces que se siembran ahora en todo el mundo) tienen un valor cultural y agronómico incalculable.
Las líneas criollas quizás no son las más productivas, o les faltan otras características que son convenientes en la agricultura moderna (por ejemplo, una arquitectura de la planta que permite cosechar los granos fácilmente), pero sí pueden tener ventajas como resistencia a plagas o tolerancia a sequía, rasgos que generalmente dependen de muchos genes diferentes. Por eso, transferir un rasgo útil de una línea criolla a una línea ‘élite’ puede ser un proceso de larga duración, aún con avances recientes como marcadores moleculares y modelos de predicción genómica. Después de cruzar la línea criolla con una línea élite, la primera generación es una mezcla de todos los alelos de las dos líneas, y hay que seleccionar otra vez los alelos que confieren los rasgos de la línea élite además de los alelos de la línea criolla que confieren resistencia a sequía, por poner un ejemplo. Este proceso puede tomar muchas generaciones, considerando un máximo de dos generaciones por año en cultivos como maíz. La enorme ventaja del mejoramiento tradicional es que la selección de los rasgos deseables ocurre en condiciones de campo, asegurando que los genotipos seleccionados tienen relevancia para la agricultura.
La edición genómica por CRISPR-Cas tiene ventajas y desventajas complementarias al mejoramiento tradicional. De las ventajas más destacadas de CRISPR-Cas es su precisión: se puede hacer un cambio en un solo gen (es decir, crear un nuevo alelo) sin hacer ningún cambio en el resto del genoma, un gran contraste con el mejoramiento tradicional mencionado arriba que implica cruzamientos repetidos y selección. Con edición genómica, se puede hacer un cambio directamente en una línea élite y después eliminar el transgén con la enzima Cas, resultando en una línea élite con la edición precisa del gen. De los retos de la edición genómica es el hecho que se tiene que entender el mecanismo del proceso de edición, es decir saber exactamente cual gen editar y que la edición de este gen tenga un impacto considerable en el rasgo deseado. Otro reto es asegurar que la edición del gen tiene el efecto esperado en condiciones de campo, no sólo en el laboratorio o en un invernadero. Precisamente para enfrentar este reto, cuando Rodríguez-Leal et al (2017) usaron CRISPR para buscar variación alélica para aumentar el tamaño de jitomates, hicieron la selección de nuevos genotipos directamente en el campo.
CRISPR-Cas no solo puede emplearse para la edición directa de genes en plantas, sino también para perfeccionar las técnicas de mejoramiento convencional. Por ejemplo, la tecnología de doble haploide puede crear individuos perfectamente homocigotos, al fijar rápidamente los genomas haploides recombinantes en una progenie homogénea, superando diversas limitaciones en el mejoramiento genético y posibilitando una evaluación rápida de los rasgos fenotípicos en el maíz (Figura 2). CRISPR-Cas ha permitido la edición de genes como ZmPOD65, ZmPLD3, ZmPLA1 y ZmDMP, generando haploides exitosos y proporcionando un enfoque para desentrañar los mecanismos moleculares de la inducción haploide (Jacquier et al., 2020; Jacquier et al., 2021; Jiang et al., 2022; Wang et al., 2022).
Otro ejemplo es la inducción de esterilidad masculina, que juega un papel crucial en la producción de semillas híbridas. CRISPR-Cas ha facilitado la creación de nuevas líneas masculinas estériles, mediante la edición de genes de fertilidad masculina como ZmTMS5 (Li et al., 2017), ZmMs7, MS8 (Chen et al., 2018), Ms26 y Ms45 (Liu et al., 2022b). Estas innovaciones permiten un mejoramiento de cultivos más rápido y preciso, esencial para enfrentar los desafíos agrícolas actuales en México, donde la mejora de la eficiencia y la rapidez en el desarrollo de nuevas variedades de maíz puede contribuir significativamente a la sostenibilidad y la seguridad alimentaria.