La biotecnología consiste en toda técnica que utiliza organismos vivos o sustancias obtenidas de esos organismos para crear o modificar un producto con fines prácticos.  En su sentido más amplio se inicio con la fabricación de cerveza y queso, y la fermentación de frutas para producir vino.  La biotecnología agrícola  moderna comprende una variedad  de instrumentos que emplean los científicos  para entender y manipular la estructura  genética de organismos que han de ser  utilizados en la producción o elaboración de  productos agrícolas. Incluye toda aplicación tecnológica que utilice  sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o  modificación de productos o procesos para  usos específicos. Implica una variedad de tecnologías moleculares como la manipulación de  genes, la transferencia de genes, la  tipificación del ADN y la clonación de  plantas y animales (FAO, 2004).

Los avances más importantes en la biotecnología agrícola se han realizado en el ámbito de las investigaciones sobre la estructura de los genomas (el conjunto completo de cromosomas de un organismo) y los mecanismos genéticos en que se basan diversas características de importancia económica. La disciplina de la genómica, en rápido progreso, está proporcionando información sobre la identidad, la localización, los efectos y las funciones de los genes que afectan a esas características, y estos conocimientos impulsarán cada vez más la aplicación de la biotecnología en todos los sectores de la agricultura. Sienta las bases para otras actividades, incluyendo nuevas disciplinas como la proteómica y la metabolómica, destinadas a generar conocimientos sobre la estructura de los genes y las proteínas, así como sobre sus funciones y su interacción. Estas disciplinas intentan comprender de forma sistemática la biología molecular de los organismos con fines prácticos.

También ha progresado rápidamente la elaboración de una gran variedad de tecnologías y equipos para generar y procesar información sobre la estructura y el funcionamiento de los sistemas biológicos. El uso y organización de esa información se denomina bioinformática. Los avances en la bioinformática permiten predecir el funcionamiento de un gen basándose en datos sobre su secuencia.

Hasta bien entrado el decenio de 1980, se suponía que cada planta tenía su propio mapa genético. Sólo cuando se elaboran los primeros mapas moleculares, utilizando una técnica denominada  “polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción”  (RFLP por sus siglas en ingles, Random fragment length polymorphism), empieza a vislumbrarse que las especies afines tienen mapas genéticos notablemente similares. Estos experimentos pioneros demostraron la conservación, durante millones de años de evolución, de las relaciones de sintenia entre la papa y el tomate en lo que respecta a las dicotiledóneas  y entre los tres genomas del trigo en lo que respecta a las gramíneas.

La sintenia es la localización conservada de genes en posiciones equivalentes en especies relacionadas. También puede expresarse como la conservación o coherencia del contenido de genes y su orden en los cromosomas de diferentes genomas de plantas (Gale y Devos, 1998). Otros conceptos importantes son macrosintenia, orden génico conservado a lo largo de un segmento de cromosoma; mientras que microsintenia trata del orden conservado basado en la secuencia de grandes trechos de ADN genómico.

Se pudo demostrar la existencia de similitudes en los genomas de los cereales, separados por unos 60 millones de años de evolución (Figura 1). Los 12 cromosomas del arroz son alineados con los diez cromosomas del maíz y los siete cromosomas básicos del trigo y la cebada de manera que todo radio que se trace en torno a los círculos pase por diferentes versiones, conocidas como alelos, de los mismos genes.

El descubrimiento de la sintenia ha tenido una enorme repercusión en el modo de concebir la fitogenética. Los estudios evolutivos tienen increíbles aplicaciones. Hay muchas posibilidades de predecir la presencia y localización de un gen en una especie partiendo de lo que se sabe de otra. Ahora que se dispone de la secuencia completa del ADN del arroz (Goff et al., 2002: Yu et al., 2002), se hace posible identificar y aislar los principales genes de especies cuyo genoma plantea dificultades principalmente debido a su gran tamaño (Cuadro 1), prediciendo que los mismos genes estarán presentes en el mismo orden que en el arroz.

Cuadro 1. Composición genómica de varios cereales cultivados

La familia Poaceae o Gramineae, es la cuarta familia botánica con mayor número de especies, y comprende cultivos que alimentan aproximadamente a 60% de la población mundial en forma directa o indirecta. Allí se encuentran los rubros arroz, maíz, trigo, centeno, sorgo, avena, cebada, caña de azúcar, pastos forrajeros, entre otros. La expansión en contenido genómico desde el pequeño genoma del arroz, puede atribuirse a inserciones de elementos repetitivos, duplicaciones, translocaciones, e inversiones (Bennetzenn, 2000). El tamaño aumentado de esos genomas no los hace candidatos a completar su secuencia genómica  a corto plazo, debido al alto costo que esto implicaría, por lo cual es útil hacer inferencias a través del estudio sinténico de sus cromosomas con los del arroz.

La elaboración de mapas genéticos que indican la localización exacta y las secuencias de los genes ha puesto de manifiesto que incluso genomas relativamente distantes comparten rasgos comunes. La genómica comparativa (estudio de similaridades y diferencias en la estructura y función de la información hereditaria entre taxas)  ayuda a comprender muchos genomas tomando como base el estudio intensivo de unos pocos de ellos. Por ejemplo, la secuencia del genoma del arroz es útil para estudiar los genomas de otros cereales con los que comparte rasgos en función de su grado de afinidad. Ahora se dispone de modelos para especies de casi todos los tipos de cultivos, animales y enfermedades, y el conocimiento de sus genomas está aumentando rápidamente. La genómica comparativa es una disciplina dentro del campo de la genética que surge como consecuencia de la existencia y el estudio de la colinealidad (conservación del orden génico y de los marcadores entre genomas relacionados). El conocimiento de la sintenia permite a quienes practican el fitomejoramiento acceder, por ejemplo, a todos los alelos de todos los cereales, no sólo de las especies en las que están trabajando. Lo más importante es, sin embargo, que actualmente existe la posibilidad de combinar los conocimientos sobre bioquímica, fisiología y genética y transferirlos de un cultivo a otro por medio de la sintenia.

• Define conjuntos de sondas ancladas bien conservadas las cuales son útiles para establecer mapas genéticos en especies de cereales no bien estudiadas.
  

• El uso de marcadores moleculares derivados a partir de regiones ortólogas en diferentes especies cereales aumenta la densidad del mapa en los loci genéticos específicos facilitando el clonaje  de genes.
  

• Genera conocimiento de la organización genómica, necesario para aislar genes de importancia agronómica  en genomas de organismos complejos.
  

• Brinda información clave de la estructura genómica y los mecanismos responsables por las diferencias en tamaño genómico y evolución de cereales,  y otras especies.
  

• Desarrollo de especies modelos que guían preguntas y proveen visión dentro de los genomas y evolución de múltiples especies experimentales. 
  

• El uso de marcadores de ADN heterólogos (de otra especie) acelera el análisis genómico en muchos cultivos.
  

• La utilidad potencial de alinear mapas físicos y secuencias genómicas de organismos modelos tales como Arabidopsis y arroz con los mapas genéticos de cultivos principales radica en favorecer el clonaje de genes agrícolamente importantes o establecer QTLs o Loci de caracteres cuantitativos (quantitative trait loci, por sus siglas en ingles).

Los mapas comparativos basados en pocos marcadores de ADN implican que solo un subconjunto de loci es mapeado. Además por si misma la especiación indica que existeb cierto grado de no-colinearidad entre dos especies. Así pues, aunque los cromosomas sean sinténicos entre plantas relacionadas cercana o distantemente, esta conservación puede ser oscurecida por extensa deleción genética o divergencia, incongruencias que sólo se resolverán con mapas comparativos más detallados. Se conservan “bloques de genes” aparentemente debido a ventajas estructurales particulares (efectos posicionales) o arreglos génicos que tienen impacto en expresión y función. De especial interés es el hecho de que cromosomas de taxa diferentes y aisladas reproductivamente por millones de años preservan orden génico paralelo, a pesar de rápidos cambios y arreglos en ADN intergénico. Sin embargo, la escogencia de organismos modelo solo será plenamente justificada si se verifica que la mayoría de genes identificados forman parte de un trazo común a la mayoría de plantas cultivadas. Es probable que ni aún la secuencia completa del arroz conteste a todas las incógnitas particulares de la genómica  del maíz, por ejemplo.

La conjunción entre tecnología génica, marcadores moleculares, genómica y bioinformática ha revolucionado el mejoramiento vegetal, conduciendo al desarrollo de nuevos cultivares. El conocimiento de la secuencia permitirá la obtención de mapas, marcadores moleculares y la realización de selección asistida por marcadores moleculares (MAS), así como el fenotipado molecular.

La edad de oro de la biotecnología agrícola apenas comienza, con empresas genómicas de alto procesamiento (high-throughput), con la provisión de la secuencia completa de Arabidopsis y arroz, y con nuevas herramientas para resolver los rompecabezas de la biología. Se necesitan más métodos para determinar simultáneamente el perfil de expresión de miles de genes y analizar funciones cromosómicas a nivel global. Existen miles de mutantes genéticamente mapeados en Arabidopsis, arroz y algunos otros taxa, que pueden integrarse al estudio comparativo del desarrollo vegetal.

Bennetzenn, JL. 2000. Comparative sequence analysis of plant nuclear genomes: microlinearity and its many exceptions. Plant Cell 12:1021-1029.

FAO, 2004. El estado mundial de la agricultura y la alimentación 2003-04. La Biotecnología Agrícola: ¿una respuesta a las necesidades de los pobres? Documento de la FAO, Roma ISBN 92-5-305079-9.

Gale, M y Devos, KM. 1998. Plant comparative genetics after 10 years. Science 282:656-659.

Goff SA, et al. 2002. A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. japonica).  Science 296:92-100.

Yu J. et al.  2002. A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L ssp. indica) Science. 296:79-92.

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