Bol. Soc. Bot. México 55: 45-52 (1994)

Biología molecular de plantas

MIGUEL LARA-SÁNCHEZ Y FEDERICO SÁNCHEZ-RODRÍGUEZ

Departamento de Biología Molecular de Plantas, Instituto de Biotecnología, UNAM. Apdo. Postal 510-3. Cuernavaca, More/os 62271, México.

Resumen. Los avances en el campo de la biología molecular y la bioquímica vegetal, junto con el desarrollo de los métodos de transformación de plantas tanto por el sistema de Agrobacterium como por el sistema denominado biobalística, han permitido a los grupos de investigación de universidades y de las compañías de biotecnología agrícola, introducir en diferentes cultivares la información genética que les confieren mejores características. Esto está dirigido al mejoramiento de los cultivos en lo que se refiere a su calidad, productividad, cualidades de almacenamiento y comercialización, así como la capacidad de producir in planta di versos productos de interés industrial. Lo anterior permite contemplar el desarrollo de una biotecnología vegetal moderna que posibilite una agricultura más productiva a la vez que se reducen o eliminan los efectos negativos que la agricultura intensiva actual tiene sobre el medio ambiente, principalmente por la aplicación desmedida de agroquímicos.

Abstract. Plant molecular biology and biochemistry, together with plant transformation systems, have shown important developments in the last few years. This has led to different research groups in both universities and biotechnology companies to introduce into a variety of crop plants, those genes that confer a better productivity, postharvest quality and the capability of producing in planta important industrial compounds.These scientific and technological developments, have led us to predict a modern agriculture biotechnology directed towards increasing productivity and reducing or eliminating ecological damage generated by the increased use of agrichemicals.

INTRODUCCIÓN

La investigación en el campo de la biología molecular de plantas, ha tenido un crecimiento significativo en los últi­mos años. Entre los factores que han permitido estos avan­ces, se puede mencionar el desarrollo en las técnicas de ingenieria genética que han generado la capacidad para aislar, caracterizar y manipular la información genética de diversos organismos. En particular en plantas, los estudios sobre el mecanismo de infección deAgrobacterium tumefaciens y la identificación de su plásmido Ti (el cual es capaz de incorporar un fragmento llamado T- ADN al genoma vege­tal) , dieron lugar a las técnicas de transformación de plantas (Herrera-Estrella et al.,1983 a,b) .

Por otro lado, las dificultades inherentes a la trans­formación de cultivos importantes (maíz, arroz, trigo, frijol, etc.) por la técnica de infección con A. tumefaciens , dieron lugar al desarrollo de la técnica de transformación por bombardeo del tejido vegetal con micropartículas recubiertas con ADN. Esto es lo que se denomina biobalística. Actual­mente ambas técnicas permiten generar plantas transforma­das de un gran número de variedades vegetales. (Visser, 1991; Vasil et al., 1991; Vasil, 1988; Vasil et al., 1993).

Estos logros permiten establecer que el avance en el conocimiento de la biología molecular de plantas, tendrá una repercusión significativa en el desarrollo de una agricultura moderna que permita un desarrollo sustentable.

ME C ANISMO DE TRANSFORMACIÓN POR A GROBACTERIUM TUMEFACIENS

Ha sido claramente demostrado que cuando Agrobacterium tumefaciens logra infectar el tejido vegetal, es capaz de

transferir a la célula algunas partes de su información gené­tica provocando una enfermedad tumoral denominada «crown gal!» (Rearo, 1989). Los genes transferidos son integrados de manera estable en los cromosomas de la célula y poste­riormente heredados a la progenie.

Los genes que son transferidos por la bacteria están localizados eri el plásmido de Agrobacterium denominado Ti (plásmido inductor de tumores), y se encuentran organi­zados de manera continua en un fragmento de ADN (T­ADN) flanqueado por dos secuencias denominadas borde derecho y borde izquierdo (Rearo, 1989).

La transferencia de estos genes implica la unión de la bacteria a la pared de la célula vegetal, y la participación de compuestos vegetales liberados en el sitio de lesión que promueven la activación de ciertos genes bacterianos los que codifican para la síntesis de enzimas que corta el ADN sacándolo del plásmido (Stachel et al., 1985; Wang et al., 1990; Messens et al., 1990; Cangelosi et al., 1990). En una segunda fase se corta una de las cadenas del fragmento de ADN contenido entre los bordes y el copiado simultáneo del ADN, con Jo que se genera una molécula de cadena sencilla (cadena-T) que sólo contiene los genes localizados entre los dos bordes. Un complejo protéico protege de la degradación a esta molécula de ADN, que penetra al núcleo de la célula vegetal y es integrada en el ADN de la planta (Kuldau et al., 1990; Ward, 1990.). La integración es seguida por la síntesis de la cadena complementaria y la reparación del ADN.

TRANSFORMACIÓN GENÉTICA DE PLANTAS

El sistema natural de transformación de Agrobacterium puede ser utilizado para incorporar genes específicos en

Boletín de la Sociedad Botánica de México 55: 45-52, 1994 DOI: 10.17129/botsci.1447

______________ Lara-Sánchez M, Sánchez-Rodríguez F. 1994. Biología molecular de plantas. Boletín de la Sociedad Botánica de México 55: 45-52.

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plantas, y requiere tres etapas: a) Se remueven del plásmido Ti los genes que causan la enfermedad de las «agallas de la corona» y se les reemplaza con los genes que se desean transferir a la planta. Para esto es indispensable usar enzimas de restricción que conserven íntegros los bordes izquierdo y derecho del plásmido. Los genes a introducir deberán contener una región regulatoria adecuada, y además un gene de resistencia a un antibiótico con su propia región regulatoria, que serv irá de marcador para seleccionar las células trans­formadas. Este nuevo plásmido Ti es reintroducido a una cepa de Agrobacterium. b) En una segunda etapa, A. tumefaciens es co-cultivado con una pieza de tejido vegetal para permitir la unión de la bacteria a la pared de la célula vegetal. Posteriormente, la pieza de tejido vegetal es trans­ferida a un medio de cultivo que contiene un antibiótico para eliminar a la bacteria y un segundo antibiótico para eliminar a las células que no fueron transformadas. Las células

· transformadas tendrán el gene que confiere la resistencia a este segundo antibiótico y que fue introducido en el plásmido Ti. c) Finalmente, la pieza de tejido vegetal se transfiere a los medios de cultivo para que promuevan la formación de callo y la regeneración de tallos. Estos últimos son transplantados a un medio de enraizamiento, para así obtener plantas que puedan ser transferidas y cultivadas en los invernaderos .

Con este método, cualquier gene locali zado entre los bordes del plásmido es transferido e integrado en el ADN de la planta. Como se mencionó, los genes clonados deben contener una región reguladora que determine el tejido, el momento en que el gene debe ser activado y bajo qué señales ambientales u hormonales.

Biobalística

Aun cuando Agrobacterium ha permitido un gran avance en la transformación de plantas , muchas especies vegetales, particularmente cereales y pastos, no son suscep­tibles de ser transformadas por este sistema. Aunado a ésto, diferentes cultivares no han podido ser regenerados a partir de callos transformados con Agrobacterium, lo que signi­fica que muchos de los cultivos más importantes como maíz, trigo, arroz, sorgo, caña, frijol y soya no pueden ser trans­formados por este sistema. Como una alternativa para trans­formar estas especies , se desarrolló en la Universidad de Cornell el método de transformación por microproyectiles. Este método consiste en proyectar partículas de tungsteno ó de oro (4 µm de diámetro) cubiertas con ADN directamente en el tejido vegetal, a través de la pared celular y la mem­brana celular. El equipo original consistía en una pistola modificada capaz de acelerar las partícu las a un a velocidad suficiente para poder atravesar las primeras capas celulares del tejido (Klein et al., 1987 , 1988). Una vez que las partículas penetran al interiordelacélula, el ADN es transcrito a ARN y éste es traducido en proteínas. Así se logra que el ADN introducido sea activo. Los aparatos actuales, aceleran las partículas por descargas de helio a altas presiones o por descargas eléctricas. Esta última técnica desarrollada por

Agracetus (Christou et al., 1988), tiene la ventaja de que el ADN que entra en la célula es integrado en los cromosomas y se transfiere a la progenie celular.

La biobalística, al emplear explantes diferenciados (embriones o meristemas) permite obtener tejidos que con­tienen grupos de células transformadas y no transformadas. Los embriones transformados por esta técnica, generan plantas con sectores transformados y no transformados, lo que en algunos casos permite obtener semillas completamente transformadas y en consecuencia plantas transformadas.

Electroporación

La técnica de transformación por clectroporac ión es empleada comúnmente en protoplastos y consiste en aplicar una descarga eléctrica a los protoplastos y el ADN en suspensión. La descarga eléctrica abre la membrana celular en diferentes lugares, permitiendo que el ADN entre a la célula. El siguiente paso es regenerar una planta a partir de los protoplastos transformados . Una alternativa promisoria, desarrollada por Plant Genetic Systems, consiste en aplicar una descarga eléctrica a meristemos cuya pared celular fue parcialmente digerida. De esta manera se elimina el proble­ma de regenerar plantas a partir de protoplastos. Este método genera grandes expectativas para lograr plantas transformadas de cultivos importantes como frijol, trigo, arroz y maíz.

Papel del cultivo de tejidos vegetales en las técnicas de transformación

Como se puede observar, un aspecto fundamental para la transformación de plantas, es el contar con la metodología de regeneración por cultivo de tejidos. En este sentido, las técnicas de embriogénesis somática y organogénesis directa que promueven la formación de una nueva planta a partir de una sola célula, permiten obtener plantas completamente transformadas. Los esquemas de regeneración a partir de tejidos diferenciados como embriones o meristemos, produ­cen plantas con sectores transformados y sectores no trans­formados. Sin embargo, algun a semilla de estas plantas podría estar completamente transformada si se diera el evento de que el grupo de células que originaron este tejido estuviera totalmente transformado. Por lo anterior, para contar con un proceso eficiente y reproducible de transfor­mación, es indispensable contar con las técnicas de regene­ración más adecuadas. Si bien actua lmente se han podido desarrollar estas técnicas para una gran cantidad de plantas, ésto no ha sido posible para algunos cu ltivos como frijol ni para variedades comercialmente importantes (Vasil, 1991 ).

INCIDENCIA DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR EN LA BIOTECNOLOGÍA

Considerando los avances actuales de la biología molecular de plantas, se puede predecir su repercus ión en diferentes áreas de la agricultura. En este sentido se mencionan

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algunos ejemplos que ilustran Ja forma en que la investiga­ción en este campo incidirá en diferentes aspectos agrícolas.

Control de malezas y plantas resistentes a herbicidas.

Durante más de 40 años han sido empleados diversos herbicidas con el objeto de tener un mayor control de las malezas. Los herbicidas específicos que se han desarrolla­do, alteran procesos biológicos específicos de las plantas. Tal es el caso de los herbicidas derivados de la atrazina, que bloquean el flujo de electrones en los cloroplastos (Goloubinolt y Edelman, 1984; Oxtoby y Hughes, 1990). Algunos otros inhiben Ja síntesis de amino-ácidos en el cloroplasto y la asimilación de amonio. Sin embargo, todos los herbicidas afectan los cultivos y reducen Ja productividad. La mayoría de Jos herbicidas tienen como mecanismo de acción la inhibición ele una reacción enzimática por Ja unión del herbicida a una enzima específica. Una mutación que afecte la unión pero que no inhiba la reacción enzimática, generaría una planta resistente a dicho herbicida. Actualmente se sabe de varias malezas que han generado resistencia a diferentes herbicidas (Oxtoby y Hughes , 1990).

El hecho de que diversas plantas y bacterias sean capaces de desarrollar tal resistencia, ha dado las pautas para generar plantas resistentes a estos compuestos.

El Glyfosato (N-fosfometil glicina) es un herbicida desarro.llado por Ja compañia Monsanto, efectivo para 76 de las 78 malezas más nocivas. Este herbicida inhibe la síntesis de amino-ácidos en el cloroplasto, a través de inhibir a Ja enzima 5-enoil-piruvilshiquimato-3.fosfosintasa (EPSPS). Se han seguido dos estrategias para generar plantas resisten­tes a este herbicida. Por un lado se han aislado de diversos microorganismos los genes de la EPSPS resistente al herbi­cida. La otra estrategia ha consistido en sobreexpresar esta enzima en plantas y minimizar su efecto tóxico. Investiga­dores de diferentes grupos han sido capaces de aislar tanto de S. typhimurium como de E. coli los genes que codifican una EPSPS resi stente a este compuesto (Comai et al ., 1985; Della-Ciopa et al., 1987; Fillatti et al., 1987). Después de modifi car el gene para que se pudiese expresar en plantas, además de transportar su producto al cloroplasto, dicho gene fue introducido en soya, y las plantas transgénicas obtenidas mostraron una completa resistencia a las aplicaciones nor­males de glyfosato.

En otro caso, el gene denominado «bar-gene» aisla­do del hongo Streptomyces hygroscopicus fue clonado en plantas de tabaco y papa. Las plantas transformadas mos­traron una amplia resistencia al herbicida «fosfinotricina» el cual es un inhibidor de Ja glutamino sintetasa (Thompson et al., 1987). El producto de este gene codifica para la enzima fosfi notricina acetil-transferasa que convierte a Ja fosfinotricina en un derivado sin actividad herbicida.

Cabe señalar sin embargo, que en las pruebas de campo realizadas con plantas transformadas resistentes a herbicidas, no se observó un incremento en la productividad (De Block et al., 1987).

Resistencia a virus

Al hallazgo de que plantas inoculadas con virus atenua­dos desarrollan una resistencia a infecciones subsecuentes con la forma virulenta del virus, se Je conoce como «protección cruzada» (Powel et al., 1986). Esta protección está relaciona­da con la síntesis de la proteína de la cubierta del virus . Cuando el virus infecta a Ja célula vegetal, una proporción importante de la maquinaria ele síntesis de proteínas de la plantas se deriva hacia la síntesis de esta proteína viral.

Actualmente, varios grupos de investigación han sido capaces de introducir los genes de las proteínas de Ja cubierta viral en diferentes plantas (Beachy et al., 1990), ele tal forma que las células de las plantas transformadas sinte­tizan Ja proteína viral. Estas plantas mostraron una mayor resistencia a la infección por el virus. La presencia de una muy baja concentración de partículas virales en estas plan­tas, sugiere que la síntesis de Ja proteína ele Ja cubierta viral reduce la capacidad de multiplicación del virus en las células transformadas (Baulcombe et al., 1986; Powel et al., 1986; Baulcombe, 1989; Reimann-Philipp y Beachy; l 993)

Experimentos similares fueron realizados para desa­rrollar papas resistentes al virus X de Ja papa (Kaniewsky et al., 1990; Lawson et al., 1990). Los resultados demostraron que las plantas transformadas con el gene de la proteína viral , desarrollan una resistencia importante a la infección y que ésto ocurrió porque el número de partículas virales era 100 veces menor que en las plantas control. Sin embargo, se encontró que algunas de las plantas transformadas redu­cían su rendimiento. Actualmente, una gran diversidad de genes que codifican para proteínas virales , han sido clonados en plantas. Los resultados en cuanto a Ja generación de resistencia y sus implicaciones en Ja productividad y Ja ecología están siendo evaluados (Beachy , 1993; Fitchen y Beachy, 1993; Tepfer, 1993).

Resistencia a insectos

Uno de los esquemas mas promisorios para el control de insectos ha sido el empleo de la toxina Bt del Eacillus thuringiensis. Al esporular, esta bacteria forma una estruc­tura protéica cristalizada en su interior. Una de las proteínas que componen esta estructura es la Et protoxina. Cuando el insecto o las larvas del insecto ingieren Ja espora, las enzimas digestivas rompen Ja protoxina generando Ja toxina activa. Se sabe que la toxina se une de manera específica a receptores presentes en las membranas de las vellosidades intestinales (Hofmann et al., 1988). Esta unión toxina­receptor permeabiliza la membrana epitelial, alterando el balance iónico y osmótico, Jo que deriva en la muerte de estas células y del insecto por deprivación alimenticia (Hofte y Whiteley, 1989). Cuando la toxina no se une al epitelio intestinal, no presenta actividad insecticida. Actualmente se han descrito diferentes toxinas Et que muestran actividad biológica, algunas contra lepidópteros, otras contra coleópteros, otras contra dípteros y otras que presentan actividad contra nemátodos (Mclntosh et al., 1990, Hofte y Whitele , 1989).

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El modo de empleo de esta toxina con fines agrícolas ha tenido dos vertientes: la aspersión delBacillus thuringiensis, o de otras bacterias como Psudomonafluorescens a la que previamente se le introdujo el gene de la protoxina Bt. Esta bacteria se mata antes de ser aplicada, lo que ayuda a tener un producto más duradero y seguro en terminos ecológicos. La otra vertiente ha sido la de generar plantas transformadas con el gene de la toxina Bt. Diferentes compañías han iniciado experimentos de campo con plantas transgénicas que contienen los genes de la toxina de Bacillus thuringiensis. Entre las plantas que han podido ser transformadas están la papa, el maíz, el tomate, el algodón y el tabaco. (Vaeck et al., 1987; Delannay et al., 1989; Perlak et al., 1990).

En relación al empleo de la toxina Bt como insecti­cida, es importante señalar dos aspectos: en primer lugar, la aparición de insectos resistentes a estas toxinas obliga a complementar los esquemas de control de plagas con la búsqueda de variedades resistentes (McCaughey, 1985; Van Rie, 1991). En segundo lugar, la generación de plantas transformadas con los genes de la toxina Bt obliga a clonar la toxina específica para un insecto o plaga determinada, o bien clonar más de un gene para expresar diferentes toxinas.

Las plantas son capaces de expresar una serie de genes (genes de defensa) en respuesta a patógenas, daño mecánico y estrés ambiental (Dixon y Lamb 1990; Bowles, 1990). Los resultados de esta respuesta incluyen la acumu­lación de fitoalexinas, la producción de enzimas hidrolíticas como la B, 1-3 glucanasa y la quitinasa, y la producción de inhibidores de proteasas. Con base en esto, una estrategia diferente para proteger a las plantas de los insectos ha sido la de introducir genes que codifican enzimas asociadas a los mecanismos de defensa de la planta. Este es el caso de la aglutinina de germen de trigo, que inhibe el crecimiento de larvas de insectos. Sin embargo, la transformación de plan­tas con estos genes requiere asegurar que la proteína no se exprese en los tejidos comestibles, ya que este tipo de compuestos es tóxico para el humano. Actualmente existen reportes de plantas transformadas con diversos genes que codifican para inhibidores de pro teas as (Ryan, 1978; Farmer y Ryan, 1990; Johnson et al., 1989; Hilder et al ., 1987). Las variedades de papa y tabaco transformadas con este tipo de genes, mostraron una mucho mayor resistencia a los insectos que las plantas control. Sin embargo, en experimentos donde se lograron expresar dos diferentes proteínas con actividad insecticida (por ejemplo el inhibidor de proteasa con la toxina de Bt), se logró una mayor resistencia al ataque de insectos (Boulted et al., 1990; Maclntosh et al., 1990). Este resultado de un enfoque combinado representa una alterna­tiva importante para reducir los riesgos de desarrollo de plagas resistentes.

Resistencia a hongos y bacterias

Los intentos para desarrollar resistencia a hongos y bacterias, están basados en la diferente composición de la pared celular de estos organismos y la pared de la células

vegetales. Los polímeros glucanos y quitina de la pared de hongos pueden ser degradados por glucanasas y quitinasas sin afectar a la célula vegetal.

Actualmente se tienen reportes de plantas de tabaco en las que se clonó la región regulatoria de un gene de quitinasa de frijol, fusionado con un gene bacteriano marca­dor o «reportero» de B, glucuronidasa (GUS). Al ser infectadas estas plantas con un hongo, mostraron una clara correlación entre la actividad de GUS y la de quitinasa endógena. Lo anterior señala que es posible generar plantas transformadas capaces de inducir una mayor actividad de quitinasa en respuesta a infecciones por hongos (Ro by et al., 1990). Recientemente, Boglie et al., (1991) transformaron plantas de tabaco que expresan constitutivamente el gene de quitinasa de frijol. Estas plantas mostraron una mayor resis­tencia a la infección por Rhizactonia solani que las plantas control. Sin embargo al igual que con la toxina de Bt , una quitinasa puede ser efectiva sólo contra cierto tipo de hon­gos. Una notable excepción es Phytophtora que no contiene quitina en su pared.

Implementación de la calidad post-cosecha de los cultivos

Uno de los mayores retos de la biotecnología vegetal ha sido el de controlar la maduración de frutos y flores y prolongar la vida de anaquel de vegetales y flores.

Como muchos procesos de desarrollo, la maduración es un fenómeno controlado por hormonas. Cuando los cultivos son cosechados, la reducción en los niveles de auxinas y citocininas y el incremento en la síntesis de etileno desencadenan la senecencia del fruto (Varner, 1961; Biale, 1964; Burg y Burg, 1965). Las pérdidas por manejo y almacenamiento de frutas y verduras, ha llevado a que diversas universidades y compañías tengan como uno de sus objetivos prioritarios el control de la maduración de frutos, flores y verduras.

Los dos últimos pasos en la síntesis de etileno con­sisten en la formación del ácido carboxílico-aminociclopropano (ACC) por la enzima ACC sintasa y la conversión de este ácido a etileno por la enzima ACC oxidasa (Kende, 1993). Utilizando la tecnología del antisentido (Gray et al., 1992; Theologist, 1992), se han logrado abatir los niveles de etileno, transformando plantas de tomate con los genes de alguna de estas enzimas en la orientación invertida (Picton et al., 1993; Hamilton et al., 1990). El resultado de estos experimentos fue retardar hasta por 4 semanas la maduración de los frutos que normalmente lleva una sola semana.

La compañía Monsanto introdujo en plantas de toma­te un gene bacteriano que codifica para la enzima ACC deaminasa, que metaboliza el ACC tan pronto como es sintetizado (Klee et al., 1991). El efecto de la expresión de este gene fue un retraso considerable en el proceso de maduración.

Durante· el proceso de maduración se produce un a degradación de la pared celular. Participan en este proceso las enzimas pectin-metil estearasa y la poligalacturonasa

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(Theologis, 1992; Picton et al.,1993). Investigadores de la compañía Calgene, usando en sentido inverso los genes de la poligalacturonasa para bloquear la expresión de esta actividad enzimática (es decir, la técnica «antisentido»), obtuvieron plantas de tomate que permiten mantener el fruto por un tiempo mayor antes de ser cosechado (Giovannoni et al., 1990). La gran ventaja de estos trabajos fue que la dureza de los frutos permite su cosecha mecánica, lo que abarata significativamente los costos de producción.

En otro tipo de experimentos relacionados con el mejoramiento de la calidad postcosecha de los cultivos, investigadores de la Universidad de Michigan, utilizando el gene bacteriano de la UDP-glucosa transferasa (almidón sintasa), obtuvieron plantas transformadas de papa con un mayor contenido de almidón en el tubérculo (Visser y Jacobsen, 1993). Dado que una parte importante en el consumo de papa es a través de frituras, el mayor contenido de almidón representa una disminución de la cantidad de agua a evaporar y una menor absorción de aceite.

Los trabajos antes descritos en relación al esfuerzo científico enfocado a producir comestibles con mejores características para su procesamiento, ha dejado a un lado las cualidades nutricionales de estos productos. Sin embar­go, mientras los grandes consumidores continuen deman­dando productos agrícolas de buena apariencia y fácil ma­nejo, poco se hará para desarrollar o implementar las carac­terísticas nutricionales y gustativas de las cosechas.

Implementación de las características agrícolas

Con respecto a las características agrícolas de los cultivos, cabe señalar los resultados iniciales que se tienen en relación a la tolerancia a bajas temperaturas y tolerancia a sequía en plantas. Estudios previos demuestran que plan­tas resistentes a bajas temperaturas , presentan un mayor contenido de ácidos grasos no saturados en los fosfolípidos que componen la membrana celular (Miguel et al., 1993; Wolter et al., 1992). Con base en lo anterior, un grupo de científicos introdujo un gene que codifica para una enzima que usa principalmente ácidos grasos no saturados para la síntesis de fosfolípidos. Las plantas de Arabidopsis trans­formad as con este gene mostraron una mayor resistencia a bajas temperaturas (Miguel et al., 1993).

Respecto al incremento en la tolerancia a la sequía desarrollada en plantas, se sabe que diversas plantas respon­den a la sequía acumulando azúcares denominados polio les (manito!, sorbitol, etc.) Con base en esto y utili zando un gene bacteriano que codifica para una enzima que cataliza la síntesis de manito!, Bohnert et al., obtuvieron plantas transformadas que acumulan hasta 30-40 gr. de manito! por Kg. de planta. Cuando estas plantas son sometidas a condi­ciones de sequía, su respuesta es más favorable que la de las plantas control. Tanto en el caso de tolerancia a frío como en la tolerancia a sequía, se sabe que se trata de fenómenos multigénicos, y a este respecto queda mucho trabajo por reali zar, particularmente en la identificación de aquellos

genes que participan en el desarrollo de estas resistencias. Otro de los aspectos que ha sido de interés para el

campo de la biología molecular en plantas, es el de poder generar semillas híbridas . Las razones de ésto han sido el gran incremento en la producción de maíz obtenido en los Estados Unidos a raíz de la implementación de semillas híbridas en este cultivo. Si bien generar líneas híbridas en maíz es un trabajo fácil por encontrarse separados los órga­nos femeninos y masculinos, no lo es asi para otros cultivos.

La compañía PGS en Bélgica ha desarrollado un esquema para producir esterilidad en machos (andro esteri­lidad). Este procedimiento consiste en introducir un gene que codifica una enzima capaz de destruir el ARN en las células del tapetum que con tribuyen a la formación y maduración del polen. Actualmente se llevan a cabo experimentos en campo con plantas transformadas con esta enzima en maíz y canola. Este esquema de producir plantas macho estériles se está implementando ya en otros cultivos como el arroz.

LA BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Y SU INCIDENCIA EN LA INDUSTRIA

Existen diversos esfuerzos para desarrollar compuestos de interés industrial, que puedan ser producidos en plantas trans­formadas. Dentro de estos compuestos se pueden mencionar los ácidos grasos, como el ácido ricinoléico que se emplea en la manufactura de lubricantes; los fluidos hidráulicos, los plásticos y los cosméticos, entre otros productos. Reciente­mente se demostró que una sola enzima es capaz de convertir un ácido graso común como el oléico en ácido ricinoléico, que es un ácido graso hidroxilado con un enlace doble ínico (Kishhore y Somerville, 1993; Knauf, 1993).

Por otro lado, en la producción de detergentes se han empleado ácidos grasos de cadena corta, como el ácido ]áurico. La longitud de los ácidos grasos está determinada por las enzimas thioestearasas, las cuales dan la especificidad para cortar un tamaño determinado de ácidos grasos. De esta forma, plantas que acumulan ácidos grasos de 18 carbones, presentan una alta actividad de thioestearasas C-18 . Así se han podido clonar genes para thioestearasas C-12, que al ser introducidos y expresados en semillas de plantas producto­ras de aceite, aumentan la concentración de ácidos grasos de 12 carbones hasta en un 25%. Sin embargo, el objetivo principal es coriseguir un mayor porcentaje de estos aceites de menor longuitud.

Los aceites vegetales representan un importante ele­mento en la dieta humana. Su utilidad y calidad está dada por el contenido de ácidos grasos saturados y no saturados. Aceites con un alto contenido de ácidos grasos saturados (por ejemplo el esteárico 18:0) son estables a la oxidación, presentan un mejor sabor y son más saludables que aquellos con un alto contenido de ácidos poliinsaturados . Se ha trabajado en varias direcciones con el fin de seleccionar plantas , especialmente soya, que tengan un menor contenido de aceites poliinsaturados (Kinney, 1994). En este sentido, y con el objetivo de mejorar la calidad de los aceites vege-

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tales, se han generado plantas transgénicas que expresan en sentido inverso genes que codifican para enzimas tales como la 9-desaturasa, la omega-3 y la omega-6-desaturasa (Kinney, 1994; Miquel y Browse, 1992). La expresión de estos genes permite reducir el contenido de acidos grasos poliinsaturados como el ácido linoléico (18:2) y aumentar el contenido de ácido oléico (18.1). Es así como se busca mejorar la calidad de los aceites vegetales.

Otro ejemplo de productos de importancia industrial es el de las ciclodextrinas. Estos compuestos son moléculas circulares de almidón que tienen de 7 a 8 residuos de glucosa. Una de las características más importantes de las ciclodextrinas, es que pueden englobar en su interior peque­ñas moléculas y de esta manera modificar sus propiedades de estabilidad y solubilidad.

La transformación de plantas de papa con una enzima bacteriana capaz de generar estas moléculas de glucosa, ha permitido generar en los tubérculos un tipo de almidón diferente con un alto contenido de ciclodextrinas, lo cual permite prever la reducción en el costo de estos compuestos.

Finalmente mencionaremos que se ha estado traba­jando en la transformación de plantas de consumo animal, con el fin de aumentar sus cualidades nutritivas. La dieta animal está basada en procesados de maíz y soya. Sin embargo, es deficiente su contenido de aminoácidos sulfurados como la metionina y la cisteina. Esto se ha tratado de remediar incorporando estos aminoácidos en los alimentos procesados. Actualmente se han identificado una serie de proteínas de semill a con un alto contenido de metionina. En particular se han caracterizado las de maíz (zeinas), arroz, girasol y nuez de Brasil. En esta última el contenido de la proteína rica en metionina es del 6%, mientras que en las otras plantas el contenido de estas proteínas es del 2%. Estas proteínas de semilla ricas en metionina se caracterizan por su bajo peso molecular (1Oa20 kD), y son sinteti zadas como precursores, que al procesarse se almacenan en los cuerpos proteícos de las semilla (Atenbach y Simpson, 1990).

En particular mencionaremos que el gene de la pro­teína rica en metionina de la nuez de Brasil, ha sido aislado y clonado en plantas de tabaco. Introducido bajo un promo­tor de proteínas de almacenamiento en semill a, esta proteína fue procesada correctamente y acumulada en la semi lla de tabaco alcanzando un 8% de Ja proteína total de Ja semilla. Las semillas transformadas tienen una germinación normal y la proteína es degradada durante este proceso, lo que demuestra su funcionalidad. Estos resultados plantean una alternativa viable para obtener plantas de consumo animal con un mayor conten ido de los aminoácidos requeridos.

CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES SOBRE EL DESARROLLO DE LA BIOLOGÍA

MOLECULAR DE PLANTAS EN MÉXICO

Como se puede observar de lo ya expuesto, el desarrollo de nuevas variedades vegetales a las que se han incorporado nuevas características, es el resultado de una intensa labor

de investigación generada por el conocimiento de los proce­sos biológicos. Es importante hacer notar, tras el análisis de los ejemplos mencionados, que las alternativas biotecnológicas en la agricultura, son el resultado de avances en el conoci­miento de la biología molecular, Ja bioquímica y la genética tanto en plantas como en microorganismos e insectos, lo que define un esfuerzo multidisciplinario. Por tanto, la continui­dad de estos avances y su constante evolución se basan en la consolidación de un gran número de grupos de investiga­ción y en el desarrollo de la infraestructura científica.

Es claro que la producción agrícola con plantas trans­formadas genéticamente, está ya en las perspectivas de las nuevas estrategias de producción. Este hecho, obliga a plantear una serie de interrogantes , cuyas respuestas permi­tirán establecer con mayor precisión las rutas y políticas que deben asumir países como el nuestro.

Si bien se puede plantear un escenario en donde prácticamente cualquier cultivo puede o podrá ser transfor­mado, y se le podrán incorporar una serie de características que incrementen su valor, cabe preguntarse: ¿qué cultivos y qué variedades serán transformadas?¿qué sectores resulta­ron beneficiados? La implementación de estas tecnologías, está dirigida a cultivares y variedades de la mayor importan­cia económica, que se producen en grandes extensiones y bajo sistemas de agricultura intensiva altamente tecnificada. En países como México, dada su gran diversidad climatoló­gica, la poca tecnificación en la mayor parte de las áreas agrícolas y el uso regional de diferentes variedades, obliga a establecer estrategias de desarrollo apropiadas para esta realidad. En este sentido, es importante señalar que los productores nacionales corren el riesgo de convertirse en consumidores de las nuevas variedades generadas en los países de alto desarrollo biotecnológico, lo que llevaría a un desplazamiento de las variedades tradicionales. Es en este punto donde debe generarse un primer esfuerzo tendiente a la identificación y producción de semi llas de alta calidad de las variedades más empleadas en el país. Por otro lado, Ja identificación de las problemáticas nacionales en los aspec­tos de climatología, suelos, plagas y manejo postcosecha de los diferentes cultivares , deberá generar los 1 ineamientos del esfuerzo académico que tienda a la generación de biotecnologías propias. Lo anterior garantizaría que los productores nacio! nales sean los beneficiarios de estos esfuerzos, y establece además la necesidad de una mayor participación de los productores con el sector académico.

La agricu ltura mexicana tiene un importante rezago tecnológico y productivo, y su futuro depende fundamen­talmente del esfuerzo que se realice en su desarrollo cientí­fico, y en la generación de tecnologías modernas y su uso en el campo. La biotecnología vegetal moderna permite con­cebir soluciones y posibilidades de una mayor productivi­dad, un menor uso de agroquímicos y una explotación racional de la biodiversidad. Y, sobre todo, permite la generación de esquemas de producción que garanticen un desarrollo sustentable.

BIOLOGÍA MOLECULAR DE PLANTAS 51

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la M. en C. Lourdes Blanco López por la revisión del manuscrito y del material bibliográfico.

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