Edición genética CRISPR para mejorar el arroz

Se prevé que la población mundial aumente de 6,300 millones en 2015 a más de 9,000 millones en 2050.¹ A medida que crece la población humana, aumentan los retos para alimentarnos.² Se ha sugerido que la producción total de cultivos se duplique para 2050.³ Los científicos se enfrentan a una inminente escasez de alimentos.² Intentan mejorar y desarrollar cultivos con mayor rendimiento y resistencia a plagas y enfermedades, así como a la sequía y otros factores de estrés. Hasta ahora, el proceso ha sido lento. Las técnicas convencionales de mejora genética solo permiten mejorar un rasgo a la vez. Sin embargo, una nueva e impresionante tecnología llamada CRISPR se está utilizando para cambiar muchos rasgos simultáneamente, de forma rápida y sencilla.^2-4 Se prevé que CRISPR se convierta en una de las tecnologías clave que formarán parte de la cuarta revolución industrial (junto con la inteligencia artificial, la robótica, la nanotecnología, las tecnologías de la información y los macrodatos).²

CRISPR es un mecanismo de defensa natural que utilizan las bacterias para evitar ser infectadas por virus.^3-8 Para ello, las bacterias utilizan las partes de sus genomas que contienen secuencias de bases que se repiten muchas veces, con secuencias únicas entre las repeticiones Se denominan repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas o CRISPR. Retienen fragmentos de genomas víricos en el ADN bacteriano para poder reconocer los virus y defenderse de futuras infecciones.⁷ El ADN del virus invasor se corta en pequeños fragmentos y se incorpora a un sitio CRISPR con una serie de repeticiones cortas (unos 20 pares de bases). El ADN se transcribe y procesa para producir pequeños ARN CRISPR (ARNcr) que se unen al ADN diana y guían a las endonucleasas efectoras que hidrolizan (destruyen) el ADN invasor diana.⁷ La segunda parte del mecanismo de defensa es un conjunto de enzimas denominadas Cas (proteínas asociadas a CRISPR), que pueden cortar la secuencia de ADN viral, hidrolizarla y destruir los virus invasores. Afortunadamente, los genes que codifican las enzimas Cas se encuentran siempre cerca de las secuencias CRISPR. La enzima Cas más conocida y útil es Cas9, que procede del Streptococcus pyogenes, causante de la faringitis estreptocócica. Cuando se combina con CRISPR, se convierte en el sistema CRISPR/Cas9. A menudo se abrevia simplemente como CRISPR. Así, Cas9 cataliza la hidrólisis del ADN, mientras que CRISPR indica dónde hacer la hidrólisis. Los científicos pueden utilizar el mismo sistema para cortar y pegar casi cualquier secuencia de ADN que deseen. Los genes defectuosos pueden cortarse y sustituirse por el gen funcional deseado, o insertar nuevos genes que confieran mejores cualidades al receptor.⁷

Los agrónomos han utilizado CRISPR para crear cepas de trigo a las que no afectan hongos mortales como el oídio.⁷ Otros han producido trigo con bajo contenido en gluten y no modificado genéticamente.⁹ CRISPR también se ha utilizado para aumentar la productividad del maíz en situaciones de estrés por sequía. Puede producir tomateras con un rendimiento mucho mayor.⁴ CRISPR puede producir variedades mejoradas de sorgo, maíz, mandioca, soja, tomates, patatas, girasoles, fresas y manzanas.¹⁰ También puede producir mejores cosechas de cereales.¹¹ CRISPR ha producido variedades de arroz más productivas.⁸

Más recientemente, CRISPR se ha utilizado para producir versiones híbridas de arroz que podrían revolucionar la agricultura. Estas nuevas versiones producen semillas que conservan su capacidad de convertirse en plantas superiores después de más de una generación. Es decir, se produce vigor híbrido (también conocido como heterosis) en las plantas de la primera generación (F1) que tienen mayor rendimiento y estabilidad. Sin embargo, cada año había que producir nuevas semillas híbridas F1 porque la progenie F2 tiene rasgos más pobres. El arroz, que es el alimento básico de más de la mitad de la humanidad, tiene una tasa de cruzamiento naturalmente baja y las semillas híbridas F1 han sido caras de producir. Es decir, no ha sido fácil cruzar variedades no emparentadas para mejorar la expresión de los rasgos deseados en el arroz. Esto cambió cuando los investigadores consiguieron producir semillas F1 que pueden propagarse clonalmente. Utilizaron CRISPR para inactivar tres genes en un solo paso. Estas semillas produjeron semillas clonales a lo largo de múltiples generaciones. Estas semillas permiten la apomixis, o reproducción asexual sin semillas. La apomixis se da en la naturaleza y se ha utilizado en agricultura para producir plantas con propiedades superiores. Ahora que la apomixis sintética con CRISPR es posible, puede utilizarse no solo en el arroz, sino también en muchos otros cultivos.