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Fomento científico

Aprendizaje en edición de genomas

El Instituto Agronómico utilizará una “tijera genética” para solucionar problemas en los cultivos de caña de azúcar, café y cítricos

Fumigación de un fertilizante con compuestos bactericidas en un plantío de naranjos afectado por huanglongbing

Léo Ramos Chaves

Una red de investigadores con sede en el Instituto Agronómico (IAC), en São Paulo, Brasil, utilizará técnicas de edición del genoma para tratar de incrementar la calidad y la productividad de tres cultivos agrícolas con gran importancia económica: el café, la caña de azúcar y los cítricos. El plan de investigación está enfocado en ítems específicos, tales como el desarrollo de un café con bajísimo contenido de cafeína, naranjas resistentes a la enfermedad conocida como huanglongbing (HLB) –anteriormente greening– y variedades mejoradas de caña de azúcar. Estos objetivos se erigen como un pretexto para lograr metas más ambiciosas. La intención es capacitar a la comunidad brasileña de investigación en agronomía en el uso de la herramienta CRISPR-Cas9, acrónimo en inglés de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 288). Este método funciona como una especie de tijera que permite extraer o agregar con gran precisión segmentos de ADN de seres humanos, animales, plantas o microorganismos. Su potencial para el desarrollo de tratamientos de enfermedades genéticas fue reconocido con el Premio Nobel de Química de 2020, concedido a dos investigadoras: la francesa Emmanuelle Charpentier y la estadounidense Jennifer Doudna.

En la agricultura, la posibilidad de alterar parte del ADN de una planta abrió nuevos horizontes en el campo del mejoramiento genético. La edición génica puede ser más ventajosa que la tecnología de los organismos transgénicos, ya que es más fácil y más barato alterar las secuencias de nucleótidos, modificando un ordenamiento específico, que introducir genes completos. Asimismo, si se la compara con las técnicas tradicionales, aquellas cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas plantas a partir de cruzamientos y mutaciones que se producen en forma aleatoria, la CRISPR-Cas9 promete mayor rapidez y precisión. Este método puede alterar características puntuales de una especie sin poner en riesgo la arquitectura genética desarrollada a lo largo de décadas de investigaciones de campo.

El IAC está vinculado a la gobernación del estado de São Paulo y posee unidades dedicadas a la investigación del café, los cítricos y la caña de azúcar instaladas respectivamente en las ciudades de Campinas, Cordeirópolis y Ribeirão Preto, pero no llevará adelante este trabajo en solitario. Se han acordado colaboraciones en Brasil con grupos de las universidades de São Paulo (USP), Federal de São Paulo (Unifesp), Estadual Paulista (Unesp) y la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa); y en el exterior, con investigadores de las universidades de Florida (EE. UU.), de Queensland (Australia) y del Instituto Max Planck (Alemania). El proyecto contará con la financiación y la participación de equipos de empresas tales como Amazon Agrosciences, CiaCamp, Daterra, GranBio, Citrosuco, Agroterenas, Jacto y Fundag, entre otras. Se han comprometido inversiones por casi 35 millones de reales en un plazo de cinco años. La FAPESP aportará 4,54 millones de reales, mientras que las empresas asociadas invertirán 4,47 millones de reales. El IAC y sus instituciones colaboradoras contribuirán con 25,79 millones de reales, sumando los sueldos de sus investigadores y el uso de los laboratorios y equipos.

Eduardo Cesar Diaphorina citri, el insecto que transmite la bacteria causante del HLBEduardo Cesar

Esta iniciativa conforma el primer Núcleo de Investigación Orientada a Problemas (NPOP, por sus siglas en portugués), un formato de red colaborativa creado en el marco del programa Ciencia para el Desarrollo, puesto en marcha por la FAPESP en 2019 para resolver problemas concretos y de impacto para la economía del estado de São Paulo. “Nuestros grupos ya venían estudiando los protocolos para la aplicación de la edición génica y este proyecto aceleró ese proceso”, dice la coordinadora del NPOP, Mariângela Cristofani Yaly, ingeniera agrónoma e investigadora científica del Centro de Citricultura Sylvio Moreira del IAC, en Cordeirópolis.

Los recursos se destinarán a la compra de material de investigación, tales como reactivos químicos y sustratos para la producción de plantines, pero el impacto principal estará dado por la asignación de becas. “La contratación temporaria de personal especializado, por medio de becas de doctorado y posdoctorado, además de técnicos, ampliará en gran medida nuestra capacidad de investigación, ya que los institutos paulistas se han visto en dificultades para reemplazar sus planteles profesionales tras la jubilación de científicos”, dice Yaly. Se estima que el proyecto contará con 35 investigadores del IAC e instituciones asociadas, y se contratarán otros 35 técnicos y becarios.

Según Yaly, la rama del proyecto dedicada a los cítricos está centrada en el HLB. Esta enfermedad, causada por bacterias del género Liberibacter y transmitida por un insecto que succiona la savia de la planta, el psílido de los cítricos (Diaphorina citri), se extiende por las raíces, ramas, hojas y frutos, que quedan pequeños y se deforman. Según los datos que maneja Fundecitrus, el HLB afectaba en 2019 al 19,02 % de los naranjales de los estados de São Paulo y Minas Gerais. La única manera de controlarlo consiste en eliminar a las plantas enfermas y evitar la propagación del insecto. “No existen variedades comerciales de cítricos con resistencia a la bacteria”, dice Yaly.

El uso de la CRISPR-Cas9 se basará en el conocimiento acumulado durante el desarrollo de las variedades transgénicas que se han evaluado en los experimentos de campo. “Las investigaciones que emplearon estrategias de prospección nos han permitido identificar 10 genes que podrían desempeñar un papel en dicha resistencia a la enfermedad. Ahora usaremos la edición para intentar silenciarlos”, dice. La meta prevista para dentro de cinco años consiste en desarrollar una metodología para la aplicación de la técnica y obtener variedades editadas. “Pero la tarea proseguirá en los años siguientes, hasta que el material de campo sea validado y registrado en el Ministerio de Agricultura”. Yaly considera a este esfuerzo de investigación como una continuidad del Proyecto Genoma, iniciado a mediados de la década de 1990 con la secuenciación de una bacteria –Xylella fastidiosa–, causante de otra enfermedad de los naranjales, la clorosis variegada de los cítricos (CVC), conocida popularmente en Brasil como amarelinho. “Esperamos que el NPOP impulse el uso de la técnica CRISPR-Cas9 dando comienzo así a un nuevo capítulo en el mejoramiento genético de las plantas”.

Fernando Alves de Azevedo Cosecha en el Centro de Citricultura Sylvio Moreira del IAC, en CordeirópolisFernando Alves de Azevedo

En cuanto al café, la meta es intensificar la búsqueda de variedades con muy bajo contenido de cafeína. El café descafeinado representa el 10 % del consumo mundial, pero el proceso químico de extracción de esa sustancia estimulante también quita otros compuestos que son los que le otorgan el sabor y aroma característicos a la bebida. En 2004, un equipo de investigadores del IAC y de la Universidad de Campinas (Unicamp) identificó entre la población silvestre de cafetos de Etiopía tres plantas mutantes de cafeto arábigo que contenían tan solo un 0,07 % de cafeína. En la especie arábica común, el contenido de cafeína varía del 1 % al 1,5 %, mientras que en el café robusta (Coffea canephora), el índice alcanza un 2,2 %. “A partir de ese hallazgo, las tres plantas comenzaron a utilizarse para el desarrollo de un nuevo cultivar desprovisto de cafeína por medio de los métodos clásicos, que implican cruzamientos y autofecundaciones”, explica el ingeniero agrónomo Oliveiro Guerreiro Filho, investigador del Centro del Café Alcides Carvalho del IAC, en Campinas, uno de los que forman parte del NPOP. “Pero ese es un proceso que tarda varios años. Para cada cruza se necesitan seleccionar los híbridos con bajo contenido de cafeína y realizar retrocruzamientos que reproduzcan todas las características deseadas”.

La edición del genoma se utilizará para acelerar el proceso de mejoramiento. “Esto nos va a permitir, por ejemplo, silenciar solamente un gen de un cultivar sabidamente productivo y longevo, sin tener que desarticular toda su estructura”. Una de las dificultades que postergaba el desarrollo de esas variedades ya se ha resuelto. Mediante las técnicas de mejoramiento tradicionales solo era posible determinar si una variedad híbrida producía café con bajo contenido de cafeína cuando comenzaba a dar frutos, dos años después de haberla cultivado. Los investigadores del IAC, en colaboración con un equipo de Embrapa, lograron imprimirle mayor velocidad al proceso. Detectaron marcadores moleculares capaces de indicar en forma precoz, a partir del análisis de las hojas, si las plantas estudiadas poseen poca cafeína o no. La búsqueda de un café con bajo contenido de cafeína, dice Guerreiro, es un buen objetivo para probar el potencial de edición génica  la mejora de las distintas variedades de café. “Una vez dominada la técnica, se la podrá utilizar con diferentes propósitos en los cafetos. Ahora es la cafeína, más tarde podría ser la resistencia a la escasez hídrica o la tolerancia al calor”.

Léo Ramos Chaves Variedad de café del banco de germoplasma del Instituto AgronómicoLéo Ramos Chaves

En el caso de la caña de azúcar, el enfoque principal del proyecto son los transgénicos, pero se pretende incorporar conocimiento al respecto de la CRISPR-Cas9 para un conjunto de investigaciones que exploran variedades transgénicas tolerantes a la sequía, resistentes a la plaga del tizón de la caña de azúcar, o bien con más abundancia de celulosa. “Los transgénicos son una realidad para la caña de azúcar y van a continuar siéndolo por largo tiempo. Ya disponemos de algunas variedades transgénicas que se están probando en el campo”, dice la ingeniera agrónoma Silvana Creste Dias de Souza, investigadora del Centro de la Caña de Azúcar del IAC, en Campinas. “Pero queremos aprender a utilizar las herramientas de edición génica, que suelen tener un impacto disruptivo. El objetivo del proyecto para dentro de cinco años es la creación de una variedad de caña editada que sea resistente a un herbicida de la clase de los inhibidores de ALS, uno de los más utilizados en los cañamelares. Al mismo tiempo, se buscan genes que puedan modificarse mediante la herramienta relacionada con el tizón de la caña de azúcar o con las variedades de la que se denomina “caña energía”, que presenta un mayor contenido de fibras y tiene alto potencial para la producción de bioenergía. Los retos, dice Dias de Souza, no son para nada insignificantes, dada la complejidad del genoma de la especie. La caña de azúcar es un organismo poliploide: cada cromosoma posee entre 8 y 10 copias que no siempre son idénticas. “Cada gen contiene varios alelos y cada uno puede atribuirle un fenotipo [las características observables]. Resulta harto complejo acertarle a un gen específico para lograr un fenotipo determinado”, añade la investigadora.

La firma GranBio, una empresa de biotecnología que desarrolla etanol de segunda generación, extraído de la celulosa y hemicelulosa, invertirá 1,5 millones de reales en la línea de investigación de la caña de azúcar del NPOP. “Necesitamos variedades más productivas y resistentes, y el uso de la tecnología de la CRISPR-Cas9 podría ayudarnos a lograrlo”, dice el agrónomo José Bressiani, director de Biovertis, una de las ramificaciones de GranBio. El método sirvió para el desarrollo de distintas variedades de caña energía, cuyas paredes celulares puedan desbaratarse con menor severidad durante el pretratamiento, facilitando el procesado industrial en la producción de etanol celulósico y aumentando el rendimiento. La edición del genoma podría, por ejemplo, alterar la lignina, y ello resultaría en una variedad de caña en la que se podría acceder con mayor facilidad a los azúcares de la celulosa y la hemicelulosa. “La consecución de esos resultados a través de la transgénesis suele ser un proceso más lento y complejo”, dice Bressiani.

Uno de los requisitos incluidos en el llamado a presentación de propuestas de los Núcleos de Investigación Orientada a Problemas consiste en que las instituciones de investigación responsables de los proyectos atraigan convenios con empresas privadas, con el objetivo de acelerar la aplicación de sus resultados. La FAPESP acordó invertir  la misma cantidad de recursos que obtiene de colaboradores privados. Los equipos del IAC salieron a buscar a antiguos asociados. El grupo del café suscribió una colaboración con Daterra, empresa fabricante de variedades de café especiales que desde hace décadas utiliza variedades y tecnologías desarrolladas por el IAC, o bien en conjunto con el instituto. “Nuestra empresa destina el 10 % de sus beneficios en investigación. Ya ha completado más de 10 proyectos con el IAC e históricamente ha contado con la ayuda que le ha brindado la institución. Nunca habíamos podido retribuirle completamente y esta colaboración nos dio la oportunidad”, dice Luiz Norberto Pascoal, director de investigación de Daterra. Parte de los experimentos de campo se llevarán a cabo en una unidad de la empresa en la localidad de Franca.

La cooperación no le garantiza a las empresas que invierten la exclusividad de los resultados obtenidos, pero tendrán algunos beneficios, por ejemplo, descuentos en el cobro de regalías durante un determinado período. En la investigación citrícola, se acordó una colaboración peculiar. Una de las empresas asociadas, CiaCamp, es una startup surgida en 2016 en el propio Instituto Agronómico para comercializar un compuesto que se desarrolló en el Centro de Citricultura, capaz de controlar las enfermedades bacterianas que acometen a los cítricos (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 276). Por medio de una articulación con Amazon Agrosciences, una empresa de São Carlos que produce fertilizantes, CiaCamp invertirá unos 50.000 reales por año en el proyecto del NPOP y se propone desarrollar biofertilizantes específicos para las nuevas variedades que se obtengan. “Nacimos de la investigación, salimos al mercado y obtuvimos beneficios económicos. Ahora podemos invertir en investigación”, dice la bióloga Simone Picchi, responsable de CiaCamp, quien antes de fundar la startup realizó dos pasantías posdoctorales en el IAC.

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