El castaño americano era una especie dominante e icónica en muchos bosques de los Apalaches hasta que fue destruido por un hongo introducido desde Asia llamado tizón del castaño.
Los castaños americanos sanos eran gigantes en el bosque. Sociedad de Historia Forestal, Durham, Carolina del Norte
El castaño americano, un majestuoso árbol forestal, solía medir entre 50 y 100 pies (15 a 30 metros) de altura, pero podía crecer hasta 45 metros (150 pies) durante su vida útil de varios cientos de años. Su frondoso dosel proporcionó sombra y belleza desde Maine hasta Mississippi. Las castañas que produjo ayudaron a alimentar a la vida silvestre, a los pueblos indígenas y a los colonos europeos. Su madera resistente a la putrefacción también era valorada como madera.
La gente notó por primera vez el hongo tizón en Nueva York en 1904, cuando comenzó a matar árboles en el Zoológico del Bronx. Durante las décadas siguientes, se extendió hacia el sur y el este a través de los castaños, matando a casi todos los árboles maduros a su paso.
Bosque fantasma de castaños americanos infestados. División de Impresiones y Fotografías de la Biblioteca del Congreso
Los amantes de las castañas, los silvicultores y los científicos (muchos de ellos bajo el paraguas de la American Chestnut Foundation) han estado trabajando para recuperar los árboles durante aproximadamente un siglo. La estrategia principal es utilizar métodos de cruce convencionales para crear cultivares resistentes al hongo.
La resistencia es extremadamente rara en el propio castaño americano. Por eso los criadores han confiado en la hibridación, cruzando el castaño americano con el castaño asiático naturalmente resistente colocando polen de uno en las flores del otro. Están retrocruzando los híbridos con el castaño americano y seleccionando descendencia que sea resistente al hongo y se parezca al castaño americano en crecimiento y forma. Sin embargo, el progreso fue limitado.
Más recientemente, los científicos han aprendido más sobre el genoma de un árbol (su conjunto completo de ADN), incluido cómo se expresan, interactúan y producen rasgos sus genes. Ahora los investigadores están recurriendo a la ciencia del genoma en busca de nuevas estrategias para la restauración del castaño.
Soy un biotecnólogo forestal que ha estudiado y enseñado genética e ingeniería de árboles forestales y otras plantas durante más de 40 años. Mi laboratorio utiliza métodos genómicos y desarrolla métodos de edición y transferencia de genes para varias especies de árboles, incluido el castaño americano. Nuestro objetivo es desarrollar técnicas mejoradas de transformación genética para facilitar el regreso del castaño americano a su papel dominante en los bosques del este.
OKSO emociona y luego decepciona
El primer enfoque importante de ingeniería genética se centró en insertar un solo gen del trigo harinero en el castaño americano. Este gen codifica una proteína llamada OXO, abreviatura de oxalato oxidasa, que descompone el ácido oxálico, el arma clave del hongo para invadir y matar los tejidos vegetales.
Durante unos 20 años, parecía que el gen OKSO podía producir castañas totalmente resistentes y sanas. Este trabajo fue iniciado por primera vez por el fallecido William Powell y sus colegas de la Facultad de Ciencias Ambientales y Silvicultura de la Universidad Estatal de Nueva York en Syracuse.
Desafortunadamente, resultados recientes en el campo sugieren que este enfoque no está funcionando tan bien como se esperaba. Muchos árboles con el gen OKSO desarrollaron inesperadamente grandes crecimientos anormales llamados agallas, crecieron más lentamente y mostraron otros síntomas de mala salud. Aunque continúa el trabajo para ampliar y perfeccionar el enfoque OKSO, nuevos métodos y conocimientos de la revolución genómica en curso en biología han brindado nuevas opciones.
La genómica ayuda de dos maneras diferentes
Los científicos que utilizan el mejoramiento guiado por el genoma pueden identificar rápidamente miles de segmentos de ADN que, cuando se usan juntos, pueden predecir la resistencia al hongo en plantas jóvenes y sanas. Luego, los investigadores pueden seleccionar árboles individuales para cruzarlos y realizar pruebas de campo que tengan genomas que contengan estos mismos segmentos de ADN.
Este método permite un progreso de reproducción mucho más rápido, ya que los criadores pueden concentrarse rápidamente en los mejores árboles padres y en la descendencia, en lugar de esperar cinco o más años a que el bebé crezca para ver cómo combate el hongo. Al mejorar la precisión de los estudios de campo y la evaluación de enfermedades, se puede ahorrar tiempo y dinero.
El enfoque ‘ómico’ analiza los genes, las transcripciones de ARNm y las proteínas que las transcripciones dirigen a la célula a producir. Rujirat Booniong/iStock vía Getty Images Plus
Otro enfoque genómico, a menudo llamado simplemente “ómica”, se centra no sólo en segmentos de ADN, sino también en los genes y lo que hacen. El objetivo es descubrir cómo la presencia o ausencia de un gen particular, las transcripciones de ARNm correspondientes o los bioquímicos celulares que codifica el gen se asocian con la resistencia al hongo.
Los científicos ahora han identificado una serie de genes y moléculas expresadas que están estadísticamente asociadas con la resistencia al tizón en las castañas asiáticas. Éstos son objetivos lógicos para los enfoques de transformación genética, es decir, utilizar métodos de ingeniería genética para modificar genes naturales o introducir genes de un organismo a otro. Mi laboratorio practica estas técnicas desde hace muchos años en álamos, eucaliptos, lúpulos y, más recientemente, castaños.
El objetivo es insertar genes de castañas asiáticas o modificar genes de castañas americanas para que se parezcan más a los de las castañas asiáticas. Los estudios basados en la genómica se han realizado de manera modesta durante algún tiempo, pero están a punto de expandirse rápidamente dada toda la nueva información basada en la genómica que se dispone actualmente, junto con tecnologías de edición de genes altamente eficientes como CRISPR.
También sobreviven algunos castaños americanos grandes, algunos de los cuales tienen resistencia hereditaria al hongo. Los estudios genómicos de estos raros supervivientes pueden proporcionar información adicional sobre los genes y procesos críticos que los mantienen sanos, lo que podría servir de base tanto para los enfoques de reproducción como de transformación guiados por el genoma.
Brotes de castaño americano propagados en cultivo de tejidos, listos para su uso en experimentos de transformación. Steven Strauss Desafíos más allá de la ciencia
Desde un punto de vista científico, los enfoques de mejoramiento impulsados por la genómica y la transformación genética son tecnologías complementarias. El primero se integra fácilmente en el mejoramiento convencional, ya que es simplemente otra forma de seleccionar padres para cruces y pruebas de campo. Los enfoques de transformación permiten a los investigadores crear o perfeccionar nuevos mecanismos que no están fácilmente disponibles mediante el simple mejoramiento. En la práctica, sin embargo, ambas tácticas añaden costos significativos a la agricultura convencional.
Para empeorar las cosas, los enfoques transformacionales también enfrentan dos barreras no económicas adicionales para su adopción. En primer lugar, por razones que los científicos aún no comprenden, el castaño sigue siendo un desafío técnico para la transformación genética. A menudo resulta difícil insertar genes en células de castaño; e incluso cuando el ADN está en las células, puede ser muy difícil lograr que esas células modificadas se conviertan en plantas normales.
Otro factor limitante es que la mayoría de los enfoques de transformación anteriores se han basado en tejidos de semillas en desarrollo que solo están disponibles durante períodos limitados del año y requieren métodos de cultivo altamente especializados. Mi laboratorio está trabajando actualmente en un enfoque nuevo y, con suerte, más eficiente que, con suerte, aliviará este cuello de botella.
Los investigadores polinizan flores de castaños americanos en una estación de investigación de campo. Lauren Petracca/The Washington Post vía Getty Images
Los enfoques de transformación genética también enfrentan importantes obstáculos sociales en forma de regulaciones gubernamentales. Aunque cualquier tipo de híbrido de castaño puede cultivarse libremente en el campo, los producidos mediante la mayoría de los métodos de transformación (incluso cuando se utilizan genes del castaño como “ingredientes activos”) no pueden hacerlo.
Los árboles modificados por transformación requieren una contención estricta e inspecciones federales durante los estudios de campo. El movimiento de polen o semillas, que son muy difíciles de limitar en árboles maduros, violaría las pautas federales. Las limitaciones en las pruebas de campo son probablemente una de las razones por las que los problemas con OKSO no se detectaron durante muchos años.
El Departamento de Agricultura ha comenzado recientemente a considerar cambios regulatorios que espero conduzcan a regulaciones más acordes con el asesoramiento científico consensuado sobre cultivos genéticamente modificados; esto debería aliviar la carga de realizar pruebas de campo. Pero iniciativas similares de las últimas décadas han fracasado o han sido anuladas por impugnaciones legales.
También entran en juego las limitaciones del mercado. Todos los principales certificadores ecológicos, como el Forest Stewardship Council, no permiten ningún material resultante de enfoques transformacionales en productos forestales certificados. Estas prohibiciones de edición y transferencia de genes reducen la cantidad de tierra en la que se podrían cultivar árboles creados mediante enfoques transformacionales y reducen el interés en investigaciones relacionadas.
Como científico, espero que desaparezcan los obstáculos a los enfoques de transformación del castaño, que también se aplican a muchos otros árboles forestales amenazados por patógenos exóticos y estrés climático. Los métodos genómicos en todas sus formas tienen el potencial de ayudar a proteger y restaurar los bosques.
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