Cómo la epigenética puede ayudar a los agricultores a cultivar cosechas más sanas y resistentes

Autores colaboradores: Eleni Tani (Universidad Agrícola de Atenas, Grecia), Cristina Vettori (Instituto de Biociencias y BioRecursos, CNR, Italia), Federico Martinelli (Universidad de Florencia, Italia).

¿Qué es la epigenética y qué relación tiene con la agricultura? 

En las últimas décadas, la humanidad ha experimentado un notable aumento del rendimiento de los cultivos. La genética ha desempeñado un papel fundamental en la generación de variedades más productivas, que presentan resistencia a enfermedades y plagas y que se adaptan mejor a las distintas condiciones ambientales. Mediante la mejora genética, se seleccionan las plantas más productivas y se cruzan con otras que presentan características deseables. Esto conduce a la generación de nuevas variedades con características mejoradas. Además, la genética ha contribuido a la generación de cultivos híbridos, los resultados de cruzar diferentes plantas parentales para producir una descendencia que hereda los mejores rasgos de ambos progenitores. Los cultivos híbridos superan a sus progenitores porque se adaptan mejor a las condiciones locales y presentan mayor resistencia a plagas y enfermedades. De este modo, se garantiza la seguridad alimentaria de la creciente población humana mundial.

Sin embargo, la presión del cambio climático, el acceso limitado al agua de riego, la mala calidad del suelo y la escasa disponibilidad de tierras cultivables mantienen la demanda de cultivos de mayor rendimiento para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos. Los modelos actuales predicen una disminución del rendimiento de los principales cultivos debido a su vulnerabilidad a las altas temperaturas, la alteración del régimen de lluvias y las elevadas concentraciones de dióxido de carbono derivadas de las emisiones de efecto invernadero. Por  lo tanto, urge explorar herramientas genéticas alternativas que mantengan o incluso aumenten el rendimiento de los cultivos en condiciones más desfavorables. Una herramienta de este tipo es la epigenética: los cambios en la expresión de los genes que no están causados por cambios en la propia secuencia del ADN, sino por modificaciones químicas heredables en el ADN o en unas proteínas llamadas histonas, asociadas al ADN.

Las enzimas pueden metilar el ADN añadiendo un grupo metilo (una pequeña unidad química) a puntos específicos de una molécula de ADN. Estos puntos pueden ser relevantes para el control de la expresión de un gen. Cuando están hipermetilados, es decir, cuando se añaden demasiados grupos metilo a la molécula de ADN, la expresión del gen puede reducirse o desactivarse. Por otro lado, se habla de hipometilación cuando se añaden muy pocos grupos metilo a la molécula de ADN en estas mismas regiones. Esto puede provocar un aumento de la expresión de un gen o incluso la activación de un gen que normalmente es silencioso, es decir, que no se expresa. Las modificaciones epigenéticas están influidas por factores ambientales como la temperatura, la luz y los nutrientes, y pueden activar o desactivar un gen sin cambiar la secuencia de proteínas. Por consiguiente, las modificaciones epigenéticas pueden afectar significativamente al crecimiento, desarrollo y adaptación de las plantas a entornos cambiantes.

Un ejemplo de regulación epigenética es la vernalización, el proceso por el que algunas especies vegetales, como los cereales de invierno, necesitan exponerse a periodos prolongados de temperaturas frías para pasar de la fase vegetativa a la reproductiva. Este mecanismo garantiza que sus frágiles tejidos florales no resulten dañados por las heladas invernales. Durante la vernalización, se altera el estado de metilación del ADN de genes específicos, lo que provoca cambios en la expresión génica que favorecen la floración. Uno de estos genes esenciales es el gen FLOWERING LOCUS C (FLC), como demuestran varios estudios en Arabidopsis thaliana. Esta pequeña planta pertenece a la familia de la mostaza (Brassicaceae) y se utiliza como planta modelo en la investigación genética y epigenética. Los cambios en los niveles de metilación del ADN en la región promotora de FLC pueden alterar su expresión y, en consecuencia, el momento de la floración, que es un determinante crítico del rendimiento de los cultivos.

Otro ejemplo es la enfermedad del tizón tardío de la patata causada por el patógeno oomiceto Phytophthora infestans. La metilación del ADN en la región promotora del gen de resistencia R3a en la patata regula su expresión y confiere resistencia a esta enfermedad. En particular, la hipermetilación del promotor de R3a reduce su expresión, mientras que la hipometilación aumenta su expresión y potencia la resistencia al tizón tardío. Estos hallazgos sugieren que la regulación epigenética de R3a puede desempeñar un papel crítico en la modulación de la resistencia de la patata a esta devastadora enfermedad.

Presente y futuro de la epigenética en la mejora de los cultivos

Los cambios epigenéticos pueden afectar al rendimiento, al alterar la respuesta de los cultivos a distintas condiciones ambientales: pueden tener un impacto positivo al aumentar su capacidad de adaptación y optimizar su respuesta ayudándoles a «recordar» episodios de estrés pasados. Comprender los mecanismos epigenéticos implicados en el rendimiento en distintas condiciones ambientales, cómo intervienen en la resistencia a plagas y enfermedades y cómo pueden influir en la absorción de nutrientes, puede ayudar a los agricultores a asegurar la producción, aumentar sus ingresos y aplicar una gestión sostenible de los cultivos reduciendo el uso de fertilizantes y pesticidas.

Aunque la investigación sobre la epigenética de las plantas ha avanzado mucho en los últimos años, su aplicación al cultivo y la mejora de las cosechas está aún en pañales. Esto se debe a que la complejidad de la regulación epigenética y la herencia dificulta el desarrollo de estrategias prácticas y eficaces para la mejora de los cultivos. En la actualidad, los investigadores se enfrentan a cuatro retos principales:

Estabilidad: Las modificaciones epigenéticas pueden no ser estables a lo largo de las generaciones y pueden verse influidas por factores medioambientales. Por lo tanto, garantizar que el rasgo deseado se transmitirá a las generaciones futuras es un reto.

Herencia: Los cambios epigenéticos pueden transmitirse a la siguiente generación, pero el índice de herencia suele ser inferior al de los cambios genéticos. Esto dificulta la obtención de cultivos con rasgos deseables basados en cambios epigenéticos.

Complejidad: Las modificaciones epigenéticas son complejas y pueden verse influidas por muchos factores. Entender las interacciones entre estos factores y cómo afectan a la expresión génica y al fenotipo puede ser todo un reto.

Inducción de cambios: La inducción de cambios epigenéticos se basa actualmente en la manipulación genética (por ejemplo, mutación) de genes implicados en la regulación de estas modificaciones. El marco legislativo prohíbe tales enfoques en muchos países, como en Europa.

Aunque los estímulos ambientales o los tratamientos químicos también pueden inducir cambios epigenéticos, es necesario seguir investigando para evaluar la eficacia, estabilidad y seguridad de estos métodos para la mejora de los cultivos. Sin embargo, hay empresas que invierten en la mejora epigenética (o epi-breeding), mostrando la importancia de este enfoque para la mejora de los cultivos. La Agricultura Sostenible ha introducido un novedoso proceso de mejora para cultivar el tomate Summer Swell, una nueva variedad de tomate con mayor sabor y duración, tanto en la cepa como después de la compra. La Agricultura Sostenible promete desarrollar rasgos vegetales diez veces más rápido que las técnicas convencionales de mejora, mediante el innovador método denominado On-Demand Breeding, que emplea la epigenética. Epicrop Technologies Inc. utiliza la epigenética para mejorar el rendimiento del sorgo.

En general, aunque la epigenética ofrece una vía prometedora para la mejora de los cultivos, aún deben superarse importantes retos antes de que pueda adoptarse ampliamente como herramienta de mejora. No obstante, se espera que los rápidos avances de la investigación y la tecnología epigenéticas sean muy prometedores para mejorar el rendimiento de los cultivos y aumentar la seguridad alimentaria en el futuro.

La epigenética desde la perspectiva del agricultor

La epigenética vegetal puede tener importantes implicaciones para los agricultores, ya que permite modificar la expresión de los genes sin alterar la secuencia del ADN. Esto puede conducir al desarrollo de cultivos con rasgos deseables, como un mayor rendimiento, una mayor resistencia a las enfermedades y una mejor adaptación al estrés ambiental. Las modificaciones epigenéticas también pueden transmitirse de generación en generación, creando cambios estables y heredables en las características de los cultivos. Además, las herramientas epigenéticas pueden utilizarse para identificar y controlar los cambios en los epigenomas de los cultivos en respuesta a factores de estrés ambiental, proporcionando información valiosa a los agricultores sobre la optimización del crecimiento y el rendimiento de los cultivos en condiciones cambiantes. La regulación del rendimiento, un rasgo cuantitativo, implica múltiples loci y está influida por factores medioambientales. Los mecanismos epigenéticos, como la metilación del ADN, la modificación de las histonas y la remodelación de la cromatina, han influido significativamente en el control de los rasgos agronómicos (características), incluido el rendimiento. En general, la epigenética vegetal representa una vía prometedora para mejorar la productividad agrícola y la sostenibilidad desde la perspectiva del agricultor.

EPI-CATCH: Explora el poder de la epigenética para crear cultivos de élite para un clima cambiante.

EPI-CATCH (EPIgenetic mechanisms of Crop Adaptation To Climate cHange) es una iniciativa COST Action que se puso en marcha en 2019. EPI-CATCH reúne a científicos e investigadores de diversos campos con el objetivo de comprender cómo los mecanismos epigenéticos ayudan a las plantas a adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes. EPI-CATCH pretende:

1. Facilitar la colaboración y el intercambio de conocimientos y técnicas relacionados con la epigenética entre investigadores, mejoradores y otras partes interesadas.
2. Desarrollar nuevas metodologías y modelos para comprender mejor el papel de los mecanismos epigenéticos en la adaptación de las plantas al estrés ambiental provocado por el cambio climático.
3. Identificar y desarrollar marcadores epi-moleculares asociados a rasgos agronómicos y cualitativos muy deseados en los cultivos para permitir modificaciones específicas de genes en el epigenoma.
4. Investigar los factores que afectan a la estabilidad y heredabilidad de las variaciones epigenéticas en los cultivos para evitar inducir epialelos que probablemente no sean estables durante el proceso de mejora.
5. Desarrollar una mejor comprensión de los mecanismos que inducen y estabilizan la variación epigenética y la memoria del estrés en los cultivos utilizando técnicas, estrategias y métodos interdisciplinarios.
6. Estandarizar la metodología en epigenética/epigenómica vegetal e integrar estos datos con otros enfoques «ómicos» para una comprensión más completa de las interacciones genotipo-ambiente de los cultivos, las variaciones epigenéticas y la memoria del estrés.

EPI-CATCH es una iniciativa innovadora y colaborativa que pretende avanzar en nuestra comprensión de la epigenética en la mejora de los cultivos, con el objetivo último de mejorar la seguridad alimentaria y la sostenibilidad frente al cambio climático. Para más información, visite www.epicatch.eu.