Alternativa para generar cultivos tolerantes a sequías severas

La sequía es un fenómeno temporal caracterizado por la escasez o inexistencia de agua. En la agricultura, la sequía es considerada como el factor más importante que limita la productividad de los cultivos, particularmente cuando se presenta en momentos críticos a lo largo de su ciclo de vida tales como la floración, la polinización y el llenado del grano.

En nuestro país, la sequía afecta seriamente múltiples regiones y cultivos cada año. Se cuenta con registros (CONAGUA) que indican que en 2023 afectó aproximadamente al 70% del territorio nacional, mientras que en el primer semestre del 2024 casi la totalidad del territorio fue afectado. Sin embargo, ya se estan registrando lluvias abundantes que estan recuperando el ánimo de los agricultores (Figura 1). 

La disponibilidad de agua en el campo influye en la productividad de los diferentes cultivos, y por lo tanto, influye también en la importación de alimentos (cereales, oleaginosa, semillas, vegetales, etc.) provenientes de otros países. 

Las sequías prolongadas en las distintas zonas del país además de factores como la contaminación ambiental, en particular del agua, y el desabasto alimenticio, nos obliga a hacer uso de tecnologías que permitan desarrollar cultivos más eficientes, que sean más productivos utilizando menos recursos y bajo condiciones climáticas adversas.

En el Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (LANGEBIO) se ha estudiado uno de los procesos más fascinantes de la biología vegetal llamando “Tolerancia a la Desecación”, un tipo de sequía severa, que consiste en la habilidad que tienen los organismos de recuperarse de una pérdida drástica mayor del 90% del agua celular. 

Las primeras plantas que poblaron los territorios terrestres son tolerantes a la desecación como es el caso de los musgos, sin embargo esta habilidad se fue perdiendo a lo largo de la evolución de las plantas, permaneciendo solamente en las semillas y el polen. Este fenómeno es el causante de que las angiospermas (plantas con flores) dominen la tierra y que sean utilizadas como fuente de principal de alimento para los humanos, por ejemplo el maíz, el frijol, el tomate, etc. 

Aunque la tolerancia a la desecación se trasladó a las semillas, este proceso ha regresado varias veces al tejido vegetativo de algunas plantas, las cuales son llamadas “Plantas de Resurrección”, que son un grupo de plantas que pueden disminuir su actividad biológica al mínimo e incluso parecer muertas cuando no tienen agua pero que recuperan sus funciones en cuanto se encuentran en contacto con el agua. Un ejemplo muy conocido de este tipo de plantas es la rosa de Jericó o siempre viva, son plantas que se pueden secar por varios años y cuando se adiciona agua reviven. No es que brote una nueva planta del tejido, sino que la planta que estaba seca revive. Esto ha sugerido que el proceso de tolerancia a desecación en tejidos vegetativos de la plantas de resurrección es una adaptación de la tolerancia a la desecación de las semillas.

El proceso de tolerancia a la desecación en las semillas es tan maravilloso que ha permitido a que las semillas puedan durar siglos sin agua y que cuando se hidratan sean capaces de germinar. Un ejemplo, es una semilla de la palmera de dátiles llamada popularmente la “palmera Matusalén” la cual fue encontrada en restos arqueológicos en el Palacio del Rey Herodes cerca del Mar Muerto. Esta palmera es única porque nació de una semilla que fue capaz de germinar después de que estuvo almacenada por 2 mil años. Esto quiere decir que durante el proceso de formación de la semilla y de desecación de la misma se establecen toda una serie de mecanismos de protección que permiten que el embrión de la semilla permanezca viable; es decir, que las estructuras membranales, las proteínas necesarias, y sobre todo, la integridad del DNA se mantengan durante 2 mil años, sin que se pierda la viabilidad. 

De aquí nace el interés del LANGEBIO de estudiar los procesos moleculares que permiten a las semillas mantenerse secas, pero viables, durante años. Básicamente, el estudio consistió en la caracterización de lo que llamamos “redes de regulación genética” que controlan la tolerancia a la desecación en semillas, a través de un estudio comparativo, transcriptómico y metabolómico de semillas de varias mutantes tolerantes e intolerantes a la desecación de la planta Arabidopsis thaliana. De esta manera está siendo posible entender cuáles son los genes involucrados y mediante predicciones de redes de regulación identificar y validar reguladores maestros que controlan los procesos de tolerancia a la desecación en semillas. 

A la fecha se han identificado nueve genes reguladores de tolerancia a la desecación. Para analizar si estos genes pueden ser suficientes para conferir la tolerancia a la sequía en una planta, se expresaron de manera individual y combinatoria en plantas de Arabidopsis. Estas plantas, de manera sorprendente mostraron un incremento en la tolerancia a la sequía, sugiriendo que existen mecanismos de tolerancia a la desecación conservados y que estos genes son candidatos con gran potencial para el mejoramiento de cultivos de interés agrícola (Figura 2) (publicado en la revista científica PNAS, vol. 113, no. 35, E5232-E5241, doi: 10.1073/pnas.1610985113).

Debido a que está científicamente demostrado que los genes que son funcionales en Arabidopsis conservan su función en otras especies, este proceso de mejoramiento incluiría la búsqueda de genes similares a los identificados en los genomas de los cultivos de interés tales como maíz, soya, trigo, arroz, etc., y su posterior manipulación mediante técnicas de biología molecular o bien empleando tecnologías más novedosas como la “edición de genomas“, que son procesos que ocurren de manera natural dentro de las especies y que están excentos de las regulaciones actuales para OGM´s. 

Este trabajo tiene importantes implicaciones para la agricultura, pues hasta el momento ha sido posible demostrar que la activación de los genes involucrados en encender el proceso de tolerancia a la desecación en semilla, en tejidos vegetativos, puede ayudar a las plantas a sobrevivir al estrés por falta de agua. Actualmente se está trabajando en la introducción de los genes reguladores encontrados en plantas de interés agrícola, así como en la búsqueda de nuevos reguladores, y se espera pronto contar con resultados más alentadores.