En noviembre de 2023 investigadores de los centros públicos de investigación de México CIATEJ e INECOL, lograron la primera sobre-expresión genética transitoria en hojas de plantas de cacao, resultado que fue publicado en el artículo científico “Vacuum-Forced Agroinfiltration for In planta Transformation of Recalcitrant Plants: Cacao as a Case Study”, en la revista científica Journal of Visualized Experiments (Hernández-Delgado, et al., 2023). Disponible en el siguiente link https://doi.org/10.3791/66024

A continuación, resolveremos los interrogantes ¿cómo hicieron este estudio de expresión transitoria de genes en cacao? y ¿cómo pueden estos resultados beneficiar a la cadena productiva del fruto tropical responsable de la millonaria industria internacional del chocolate?

Desde hace poco menos de medio siglo la humanidad estudia qué función tiene un gen dentro de una planta mediante su sobre-expresión o silenciamiento vía ingeniería genética. Para ello, primero hay que transferir a la planta el gen que se quiere estudiar. Suena sencillo y se ha hecho en numerosos cultivos, incluso la primera vez que se hizo en cacao fue hace veinte años. Sin embargo, hasta la fecha no había ningún reporte previo de transformación transitoria In-planta en cacao, posiblemente por las dificultades técnicas de aplicar infiltración forzada por vacío en plantas de gran tamaño, al ser el cacao una especie de rápido y gran crecimiento, que en corto tiempo supera el tamaño de los desecadores de laboratorio utilizados como cámaras de vacío por los investigadores. 

En la naturaleza existen microorganismos capaces de realizar la transferencia horizontal de genes. Uno de ellos es Agrobacterium, una bacteria Gram negativa capaz de transferir de forma natural por sí sola un segmento de ADN a la planta, llamado T-ADN. Esta bacteria ha sido modificada para que no sea patógena y para incluir en el T-ADN el gen de interés para los investigadores y así poder ser usadas de forma controlada en estudios de ingeniería genética.

Debido a que las plantas cuentan con barreras naturales que las protegen de la infección de patógenos, los investigadores deben usar métodos de infiltración forzada para que Agrobacterium pueda entrar en contacto con células vegetales dentro de la hoja y transferirles el T-ADN. Diferentes factores afectan la eficiencia con la que Agrobacterium transfiere el T-ADN a las células vegetales y en las que este es expresado, es por eso que los investigadores deben probar múltiples condiciones. En este proceso de optimización de condiciones es de gran utilidad el uso de genes reporteros, que producen una señal que sea fácil de evaluar a simple vista. 

En el estudio realizado en cacao se utilizó no uno, sino tres genes, que codifican para tres diferentes enzimas que convierten el aminoácido tirosina en el pigmento betalaina, un pigmento presente en la remolacha (betabel) que le da a la raíz su característico color morado intenso. Las betalainas no se producen de forma natural en el cacao por lo que la sobre-expresión de este gen reportero en cacao es una prueba del éxito del método de sobre-expresión empleado.

Evaluando la acumulación del pigmento betalainas en cacao, los investigadores pudieron evaluar de forma rápida y sencilla la eficiencia del método de agroinfiltración.

Los investigadores utilizaron una estrategia de transformación transitoria, es decir no modificaron el genoma del cacao, ni generaron organismos transgénicos estables. La estrategia transitoria se refiere a la expresión en las células de la planta, del ADN transferido por Agrobacterium, sin necesidad de que se integre en el genoma del cacao el transgén. Al evaluar la expresión transitoria se logra realizar una evaluación en menor tiempo que si se generará una modificación genética estable, porque no se requiere la regeneración de plantas a partir de las células transformadas. Siendo el proceso de regeneración de cacao uno que presenta bajas eficiencias.

Y ¿cómo pueden beneficiarse los productores de cacao con este avance biotecnológico?

La producción de cacao, como la de todos los demás cultivos, se ve afectada por fenómenos climáticos extremos como sequías, olas de calor, lluvias torrenciales e inundaciones, ocasionados con mayor magnitud y frecuencia por el cambio climático, el cual es el resultado de la acumulación en la atmósfera de emisiones de gases de efecto invernadero. Los pronósticos coinciden en que estos fenómenos meteorológicos extremos tienden a empeorar, amenazando la producción agrícola.

Para mantener la producción en el escenario de rápido cambio climático los agricultores requieren nuevas variedades con mayor resistencia a las condiciones ambientales. Sin embargo, el mejoramiento genético tradicional del cacao es un proceso lento y difícil. La primera floración en cacao puede tardar varios años dependiendo del cultivar, por lo que realizar cruzas controladas para transferir al germoplasma comercial algunas características de interés puede demorar muchos años, y los agricultores demandan nuevas variedades en el corto plazo.

Dada la urgente necesidad de acelerar el mejoramiento genético del cacao es indispensable sumar esfuerzos entre diferentes actores y emplear las técnicas más novedosas. Es por eso que investigadores de los centros públicos de investigación de México CIATEJ y el INECOL exploran el uso de la biotecnología para contribuir en el mejoramiento genético del cacao. Estos resultados proporcionan una nueva alternativa a la comunidad de investigación de este importante cultivo para facilitar nuevas investigaciones que generen nuevo conocimiento de la especie, al igual que apoyar nuevas estrategias de mejoramiento genético para ofrecer a los agricultores alternativas de nuevas variedades mejoradas que permitan hacer frente al aumento de la demanda de forma sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

Agradecimientos

Agradecemos el apoyo del Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología de Jalisco (COECYTJAL), y de la Secretaría de Innovación Ciencia y Tecnología (SICYT), Jalisco, México (proyecto 7270-2018). Los financiadores no intervinieron en el diseño del estudio, la recogida y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito.