Firmas genéticas para una agricultura sostenible
Enrique Ibarra-Laclette1, Eva García-Ilizaliturri1, Antonio Cárdenas-Flores2, Carlos Espinoza-González3, Claudia Anahí Pérez-Torres1,4
¿Sabías que muchos de los genes codificados en el genoma de todo organismo responden a distintos estímulos incluida la deficiencia de nutrientes?
Gracias a dichos genes y sus perfiles de expresión, es posible mediante firmas genéticas realizar un diagnóstico del estatus nutrimental y evaluar como un organismo responde una vez que estos son suplementados. Así las firmas genéticas permiten realizar diagnósticos precisos y prescribir tratamientos personalizados. Si bien estas firmas están revolucionando la medicina, imagina utilizarlas en la agricultura. A continuación te decimos cómo.
Una firma genética es un conjunto específico de genes o transcritos cuyo perfil de expresión permite identificar y caracterizar un estado biológico particular, una condición patológica o incluso una respuesta a un estímulo ambiental o una predisposición genética. Estas firmas se obtienen a través de técnicas de secuenciación y análisis de datos genómicos, como RNA-seq, microarreglos y otras tecnologías de genómica funcional. Hasta ahora, su uso se ha centrado principalmente en el diagnóstico y pronóstico de enfermedades, así como en la evaluación de la respuesta de los pacientes a ciertos tratamientos. Debido a que las firmas genéticas permiten identificar subtipos de ciertas enfermedades como el cáncer, es posible, a través de ellas, prescribir a los pacientes tratamientos más precisos y personalizados. En muchos casos, las firmas genéticas pueden ayudar a la detección temprana de ciertos padecimientos mediante la identificación de patrones de expresión genética asociados con estados preclínicos. Si se tiene en cuenta que no todos los pacientes responden de la misma manera a ciertos tratamientos, resulta evidente que estas firmas genéticas pueden ayudar a determinar cómo responderá un paciente a un tratamiento determinado, optimizando así la terapia y minimizando los efectos adversos. Aunque su uso se ha centrado en la medicina, no existe razón alguna para limitar su potencial aplicación. Las firmas genéticas podrían utilizarse para ayudarnos a entender cómo diferentes especies de plantas y/o insectos se adaptan a cambios ambientales o cómo responden a la aplicación de pesticidas o fertilizantes, un área de oportunidad de gran relevancia ante la problemática que representa garantizar la seguridad alimentaria, más aún si se considera que esto debe realizarse enfrentando también el escenario del cambio climático.
Fig 1. Uso de una firma genética como sistema de diagnóstico y pronóstico del estado nutrimental de la planta. Como un primer paso, se comparan los perfiles de expresión de los genes entre plantas control y plantas que crecen bajo deficiencia de nutrientes y se identifican los perfiles de expresión de aquellos genes que responden a dicho estrés (firma genética). A continuación, la firma genética se usa para consultar como las plantas responden a la adición de diferentes formulaciones de liberación controlada y se identifica aquella que, a menor cantidad (y/o número de aplicaciones), es capaz de replicar, no sólo una firma genética, sino también un fenotipo similar al del control.
En una alianza estratégica entre el Instituto de Ecología A.C. (INECOL) y el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA)se desarrollan fertilizantes innovadores de liberación controlada y se han comenzado a utilizar firmas genéticas para determinar el estado nutricional de diferentes especies de interés agrícola. A continuación, se explican cuáles son los objetivos y el tipo de problemáticas que se busca resolver.
Garantizar la seguridad alimentaria en una población continuamente creciente, ha sido una problemática que, desde hace más de un siglo, nos preocupa y ocupa. Un paso sin duda importante fue el desarrollo de los fertilizantes sintéticos, que permitieron el incremento de la producción de los suelos agrícolas. Como todo organismo vivo, las plantas requieren de la toma de nutrientes para su óptimo crecimiento y desarrollo. Dichos nutrientes se obtienen a través de la raíz y son asimilados no solo en función de su disponibilidad, sino también dependiendo del tipo de suelo, la acidez o alcalinidad de este, e incluso de la humedad y la temperatura. Es importante tener en cuenta que los requerimientos nutrimentales de las plantas son distintos dependiendo de la especie y el estadio de desarrollo. Hoy día se estima que entre el 50 y 80% del fertilizante, dependiendo del tipo de nutrientes que se aplica se desperdicia, ya que estos se pierden por lixiviación y/o se precipitan formando sales minerales poco solubles y/o no asimilables por las plantas. Así, como consecuencia de este uso indiscriminado y desmedido de los fertilizantes, hoy día enfrentamos problemas como la erosión de los suelos y la eutrofización, proceso mediante el cual se contamina el agua de lagos, ríos, acuíferos y embalses.
Como una estrategia para atender esta problemática, se propone el uso de fertilizantes de liberación controlada, es decir, formulaciones en donde los nutrientes requeridos por las plantas (como fósforo, nitrógeno, calcio, potasio, entre otros) son encapsulados en matrices poco solubles para permitir que estos sean liberados de forma gradual, evitando que estosse precipiten y formen conjugados no asimilables, haciéndolos disponibles para la planta cuando son requeridos. Para evitar posibles efectos adversos, los fertilizantes innovadores que se desarrollan en el INECOL-CIQA utilizan como matriz encapsulante polímeros de origen natural que son completamente biodegradables y que, en algunos casos, promueven el crecimiento de las plantas, lo que reduce considerablemente la cantidad requerida de su aplicación. Si bien el solo reemplazo en la aplicación de fertilizantes de liberación controlada, en contraste con el uso de fertilizantes convencionales, ayuda a mitigar el impacto del uso desmedido de estos últimos, determinar cuándo y cuánto de estos fertilizantes de liberación controlada debe aplicarse a los cultivos de interés permite hacer aún más eficiente su uso. Esto reduce los costos al requerir menos aplicaciones y garantiza el óptimo desarrollo de las plantas, incrementando con ello su producción.
Fig 2. Efecto del uso de fertilizantes innovadores de liberación controlada en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de las plantas demostrando la eficiencia en su consumo.
Actualmente, y con resultados promisorios, estamos utilizando firmas genéticas para determinar primero el óptimo requerido por algunas especies de interés agrícola, luego evaluamos el efecto de los fertilizantes innovadores de liberación controlada y determinamos la cantidad necesaria para obtener un resultado similar al óptimo requerido (Figura 1). Aunque estas tecnologías todavía se encuentran en una fase intermedia de su desarrollo, los resultados hasta ahora generados muestran que algunas formulaciones de liberación controlada requieren solo una cuarta parte del total de la aplicación que debe realizarse cuando se utilizan fertilizantes convencionales. Además, dichas formulaciones han demostrado que el efecto promotor del crecimiento de las matrices encapsulantes incrementa el crecimiento de las plantas hasta en un 60%, lo que permite que estas den lugar a la producción de frutos y semillas en mucho menor tiempo (Figura 2).
Gracias a estos resultados, se demuestra que el uso de las firmas genéticas (y los fertilizantes de liberación controlada) representan una herramienta poderosa que permite mejorar de forma significativa la agricultura tal como la concebimos hoy día. Esto a través de una comprensión más profunda, facilitando la transición hacia enfoques más precisos y focalizados en la atención de problemas, mitigando efectos adversos y siendo amigables con el ambiente sin dejar de lado la necesidad de mantener una alta producción.
Si quieres conocer más detalles sobre estos desarrollos innovadores de base científico-tecnológica, puedes contactar a la Dra. Claudia Anahí Pérez Torres, Red de Estudios Moleculares Avanzados, Instituto de Ecología A.C. (
"La opinión es responsabilidad de los autores y no representa una postura institucional"
Créditos figuras: autores del artículo
1Red de Estudios Moleculares Avanzados (REMAv), Instituto de Ecología A.C. (INECOL)
2Departamento de Materiales Avanzados, Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA)
3Departamento de Biociencias y Agrotecnología, Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA)
4Investigador por México-CONAHCyT
