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BAG. Journal of basic and applied genetics

versión On-line ISSN 1852-6233

BAG, J. basic appl. genet. vol.22 no.1 Ciudad Autónoma de Buenos Aires ene./jun. 2011

 

Fuentes primarias de variabilidad genética en plantas cultivadas. Mutaciones Inducidas y Genes Mutadores.

 

Prina AR, Landau AM, Martínez AE, Pacheco MG, Arias MC, Etchart VJ, Lencina FA y Díaz DG.

Instituto de Genética Ewald A. Favret (IGEAF). CICVyA-CNIA-INTA-Castelar, cc25, 1712 Castelar, ARGENTINA. aprina@cnia. inta. gov. ar

 


RESUMEN

Se describen los principales logros obtenidos por el grupo de trabajo abocado al estudio de las "Fuentes de Variabilidad en Plantas Cultivadas" (Autores de este artículo) que actualmente se desempeña en el IGEAF (Instituto de Genética Ewald A. Favret), dentro del Área de Genética Vegetal, y cuyas principales actividades en el marco de la matriz nacional están pautadas en el proyecto específico AEBIO 244631 de la cartera INTA 2009/2011.

Palabras clave: Fuentes de variabilidad; Mutaciones inducidas; Genes mutadores; Mejora vegetal por mutaciones.

ABSTRACT

The main goals achieved since the 1990s, by the working group in "Primary Sources of Genetic Variability in Crop Plants" are described. Initially, the activities in this subject were limited to: basic research in barley mutants, consulting services in this topic to the Rice Breeding Program and two technical assistance agreements in barley and sunflower. Among the main scientific contributions it stands out the discovery of the chloroplast mutator gene of barley and several mutants originated by this gene.
Over the years, the interactions with the Institutional Plant Breeding Programs increased considerably to a total of 11, being the most important the one for rice which gave rise to herbicide tolerant mutants of widespread national and interna-tional diffusion.

Key words: Sources of variability; Induced Mutations; Mutator genes; Plant Mutation Breeding.


 

Dentro del IGEAF las raíces de este tema se remontan al año 1949 y se relacionan con el trabajo pionero llevado a cabo por el Ing. Agr. Ewald A. Favret sobre el uso de mutágenos artificiales en plantas cultivadas. En los años 90 las investigaciones sobre mutagénesis inducida realizadas en nuestro Instituto se concentraban mayormente en la cebada y apuntaban preferentemente al aislamiento y caracterización de mutantes novedosas que pudieran contribuir al conocimiento de distintos aspectos de la biología de esta especie. Así, en esta línea de trabajo se aislaron, y más tarde se describieron, mutantes novedosas relacionadas con: los patrones de desarrollo (Prina, 1995), la sensibilidad de las raíces a gradientes de agua (Martínez et al., 2004, 2005), la morfología de la espiga y del grano (Prina y Arias, 1995), algunos marcadores clorofílicos útiles para el mapeo de otros alelos mutantes (Prina et al., 1996a; Arias y Prina, 2000) y, especialmente, con mutantes de genética inestable, capaces de originar per se nueva variabilidad heredable (Prina, 1992, 1996; Prina et al., 1996b). Entre estas últimas la mejor caracterizada es la correspondiente al gen mutador de cloroplastos de la cebada, a nuestro entender, el único caso en su tipo que ha sido descrito en Monocotiledóneas (Prina et al., 2009).
A partir de este mutador se pudo obtener un amplio espectro de mutantes de herencia materna, principalmente mutantes clorofílicas con distintos patrones de pigmentación, pero también con diferencias notables en la estabilidad genética (Prina, 1996) y con diferentes respuestas a estrés abiótico y a herbicidas (Prina et al., 2000). Algunas de las mutantes aisladas resultaron ser absolutamente novedosas, tales como: 1) la primera mutante en plantas superiores para el gen plastídico infA, homólogo del homónimo bacteriano que codifica para el factor iniciador de la traducción IF1, cuya función era anteriormente desconocida en plantas superiores y sólo se infería a partir de los conocimientos en bacterias (Prina et al., 2003; Landau et al., 2007, 2011; Bar, 2007; Colombo et al., 2008); 2) la primera mutante de cebada tolerante a herbicidas del grupo de las triazinas (Ríos et al., 2003); 3) una mutante sensible a alta temperatura con cambios puntuales en el intrón (ver glosario) 1 del gen plastídico ycf3 (codificante para una chaperonina involucrada en el ensamble del fotosistema I), que muestra un splicing (ver glosario) deficiente a alta temperatura, probablemente generado por la alteración de la estructura secundaria del ARN necesaria para el splicing del propio intrón (Landau et al., 2009). Algunos de estos genotipos fueron utilizados como materiales experimentales para el desarrollo de dos tesis de Doctorado (Colombo, 2008; Landau, 2008) y una de Maestría (Jaureguialzo, 2008).
Es interesante mencionar que en las mutantes inducidas por el mutador arriba citado no se han detectado grandes cambios en el ADN del plastoma (ver glosario; Colombo et al., 2006), observándose que todas las mutantes hasta ahora caracterizadas a nivel de ADN corresponden a sustituciones o adiciones de una base. Esto último señala a este material experimental como muy adecuado para implementar una estrategia de TILLING (ver glosario) dirigida al estudio de los genes del plastoma (Prina et al., 2009), la cual se ha comenzado a aplicar exitosamente en nuestro laboratorio. Además del financiamiento del INTA, estas investigaciones se financian actualmente por medio de un Proyecto PICT 2007 del FONCYT y un proyecto de Investigación Coordinada del OIEA.
Volviendo a los años 90, paralelamente a los estudios sobre mutantes de cebada arriba mencionados, se asesoraba a las compañías Cervecería y Maltería Quilmes y Zéneca (posteriormente ADVANTA) mediante sendos convenios de asistencia técnica para la utilización de mutagénesis inducida con fines de mejoramiento en cebada cervecera y girasol, respectivamente. Por aquellos años, la mutagénesis inducida con fines de Fitomejoramiento no era utilizada en los programas del INTA, a excepción del Programa de Mejoramiento de Arroz con sede en la EEA-INTA Concepción del Uruguay, al que se le daba apoyo para la aplicación de estas técnicas. A partir de este trabajo se obtuvieron resultados notables en cuanto a la variabilidad para el gen de la enzima acetolactato sintetasa, lográndose cubrir todo el espectro conocido en plantas cultivadas de alelos que confieren tolerancia a herbicidas del grupo de las imidazolinonas. Algunas de estas mutantes fueron patentadas internacionalmente (Livore et al., 2007a y b, 2008, 2010). Una de ellas es la que confiere tolerancia a herbicidas al cultivar PUITA-INTA CL, que fue lanzada comercialmente en 2005, y que en la última campaña cubrió un 40% del área de cultivo en nuestro país. Además está siendo utilizada con éxito en otros países como Costa Rica, Colombia, Uruguay, Italia, India, Tailandia, los Estados Unidos y, principalmente, Brasil donde en la última campaña cubrió una superficie de medio millón de hectáreas. Este logro fue señalado como uno de los hitos destacados de la estrategia innovadora de la política de Vinculación Tecnológica del INTA (Moscardi, 2007) y como uno de los principales aportes del INTA a la comunidad (Torres y Senigagliese, 2010; Seifer, 2010).
Otros cultivos en los que iniciamos más recientemente actividades de mutagénesis inducida con fines de mejoramiento son el trigo pan y el algodón. En el primer caso y con el apoyo del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) se seleccionaron mutantes con posible tolerancia al estrés por sequía (Prina et al., 2006). En el caso del algodón, mediante un PICTO 2002, se realizaron selecciones de mutantes para mejorar la estructura de la planta cuya utilidad en el mejoramiento del cultivo está actualmente en estudio (Díaz et al., en prensa).
En los últimos años, la aplicación de técnicas de mutagénesis inducida en Fitomejoramiento está siendo revalorizada a nivel nacional e internacional. Esto muy posiblemente se debe a los numerosos resultados de alto impacto comercial obtenidos en diversos países, así como, al surgimiento de técnicas moleculares de análisis como el TILLING (McCallum et al., 2000) que potencian enormemente los alcances de la mutagénesis inducida. Lo antedicho ha tenido un efecto positivo en la aceptación de esta técnica por parte de los mejoradores y nos ha permitido incrementar notablemente las interacciones con los programas de nuestra institución dedicados al Fitomejoramiento. Así es que, además de los cultivos mencionados, actualmente estamos colaborando con grupos de mejoradores de cebada, trigo, colza, girasol, soja, cítricos, forrajeras megatérmicas, sorgo, álamo y especies ornamentales. También, en este contexto y mediante la interacción con otros grupos de trabajo se han desarrollado recientemente una tesis doctoral sobre el género Capsicum (Scaldaferro, 2010) y una de maestría sobre el género ornamental Calibrachoa (Bologna, 2010).
Por otro lado, es importante mencionar que participamos de un proyecto de cooperación técnica financiado por FAO/OIEA, que incluye 14 países de Latinoamérica, para la difusión del uso de mutantes inducidas para el mejoramiento de los cultivos alimentarios en la región. En este proyecto, además de las actividades de investigación realizadas en nuestro país para el desarrollo de genotipos de trigo pan tolerantes a sequía, y dada nuestra larga experiencia en el tema, hemos participado recientemente como docentes en un curso regional dictado en la Universidad Agraria de la Molina, Lima, Perú. Además, en este contexto brindamos apoyo como expertos en mutaciones inducidas a la implementación de programas de Fitomejoramiento de otros países de la región (México, Guatemala, El Salvador y Ecuador). Recientemente, también se colaboró en la redacción de tres capítulos de libros de texto referidos al tema de Mutagénesis en Plantas Cultivadas (Prina et al., 2010; Prina et al., en prensa a y b). Los resultados obtenidos muestran a las técnicas de Mutaciones Inducidas como una herramienta poderosa, tanto para investigaciones básicas como para su aplicación en el mejoramiento de los cultivos. En este último caso, los bajos costos y requerimientos de infraestructura y la fácil adaptación a distintos cultivos y objetivos de mejoramiento hacen de esta metodología una excelente estrategia para contribuir a la resolución de las diversas problemáticas que se presentan en los programas de mejoramiento.

GLOSARIO

Intrón: Secuencia/s nucleotidica/s que se ubica/n dentro de la estructura de un gen, generalmente eucariota, la/s cual/es es/son inicialmente transcriptas pero removidas del ARN antes que ocurra la traducción del mensaje para formar el/los polipéptidos correspondientes.

Splicing: Proceso por el cual se corta el ARN (transcripto primario) y luego se empalma después de la eliminación de los intrones.

Plastoma: Genoma de cualquier miembro de una familia de organelas presentes únicamente en el citoplasma de las células vegetales, que desempeñan una función de reserva, de fotosíntesis o de biosíntesis de moléculas esenciales para el funcionamiento celular.

TILLING: del inglés Targeting Induced Local Lesions in Genomes (ver McCallum et al 2000): es una técnica de genética molecular reversa que permite analizar la presencia de mutaciones para un determinado gen o secuencia candidata en un gran número de individuos previamente mutagenizados.

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Received: 20/07/2010
Accepted: 16/12/2011

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