Adaptación a factores abióticos agravados por el cambio climático:
tolerancia a sequía o asfixia radicular en suelos con problemas de encharcamiento, suelos básicos o ácidos, y tolerancia a las temperaturas más altas en la época de producción, así como a la falta de reposo invernal en alguno de los componentes de la combinación patrón-variedad. Por otro lado, la obtención de patrones tolerantes a enfermedades de suelo, que controlen el vigor y que posean un uso eficiente del agua.
Así, se han establecido las bases moleculares de la tolerancia a la asfixia radicular en ciruelos mirobolanes (Amador et al., 2012; Rubio-Cabetas et al., 2018) y ala clorosis por deficiencia de hierro en mirobolanes e híbridos almendro x melocotonero (Gonzalo et al., 2011; 2012). Los estudios en sequía han sido los más numerosos (Bielsa et al., 2019, 2018b, 2018a, 2016) demostrando que los híbridos almendro × melocotonero y los ciruelos mirobolanes tienen dos respuestas a la sequía diferentes habiendo identificado un biomarcador (Bielsa et al., 2021).
De entre los híbridos G×N, ‘Monegro’ destaca por un uso más eficiente del agua (Bielsa et al., 2018a). Otros estudios de sequía con híbridos del género Prunus spp. con distinta base genética (GF 677, Cadaman, ROOTPAC 20 y ROOTPAC® R), demuestran que GF 677 y ROOTPAC® R poseen un uso más eficiente del agua (Jiménez et al., 2013). En particular, se encontró una acumulación de azúcares osmoprotectores y de prolina en el patrón GF 677 como mecanismo de adaptación a la sequía. En la misma línea, se están estudiando los mecanismos moleculares que regulan la arquitectura del almendro, la influencia del portainjerto y la interacción entre éste y la variedad a la hora de desarrollar un porte o unas ramificaciones determinadas y así, seleccionar patrones y variedades con distintos tamaños, portes y arquitecturas de copa, que puedan satisfacer las necesidades de los nuevos sistemas de cultivo en marcos más intensivos.
Todo ello hará posible el desarrollo de marcadores genéticos útiles en la selección asistida para estos caracteres de interés si a la vez se estandarizaran los métodos de fenotipado. Tolerancia a factores bióticos: incorporación de resistencias a plagas y enfermedades, tanto a las actuales como a las emergentes. Entre ellas, cabría destacar la incorporación de resistencia/tolerancia a fuego bacteriano, fitóftora o armillaria en portainjertos de manzano y peral, con fácil propagación clonal.
En este caso, se puede mencionar la selección de los nuevos portainjertos de manzano en Geneva (USA), que incorporan resistencia al pulgón lanígero, fuego bacteriano y problemas de replantación (Robinson, 2020; Reig et al., 2018a). La solución a los nematodos agalladores se ha dado con los ciruelos mirobolán (P. cerasifera) diploides, como ‘Adara’ (Moreno et al., 1995a), los ciruelos hexaploides de crecimiento lento (P. insititia y P. domestica) como ‘Adesoto’ (Moreno et al., 1995b), ‘Penta’ y ‘Tetra’ (Nicotra et al., ), así como con los híbridos de hoja roja de la serie ‘Garfi’ x ‘Nemared’ (G×N): ‘Garnem’, ‘Felinem’ y ‘Monegro’ (Felipe, 2009). Aportan la resistencia a nematodos, además de otros caracteres de interés como el tamaño de la planta, vigor, productividad y la facilidad de propagación. Su éxito radica principalmente en transmitir un buen vigor, su resistencia (o inmunidad en el caso de algunos ciruelos) a nematodos del género Meloidogyne (Pinochet et al., 1999), su adaptación a suelos calcáreos y buena tolerancia a clorosis, además de un buen comportamiento en replantación.
Posteriormente, se han desarrollado nuevos portainjertos del género Prunus con base genética de almendro, ciruelo y melocotonero, tolerantes a la asfixia de raíces en suelos pesados, a nematodos agalladores y a la caliza activa en suelos calizos con pH elevado y algunos de ellos además con un eficiente control del vigor (Iglesias et al., 2020; Reig et al., 2018b; Font i Forcada et al., 2020). La identificación de los genes asociados a la resistencia de nematodos agalladores en almendro facilitará los trabajos de selección y la introducción de este carácter resistente en las nuevas selecciones (Duval et al., 2014). Control del vigor del árbol, alta eficiencia productiva y buena calidad de fruto en los nuevos portainjertos híbridos de peral, con base genética de Pyrus communis, Pyrus amygdaliformis y Pyrus elaeagrifolia, y derivados de cruces interespecíficos entre especies adaptadas a suelos calizos y condiciones de sequía, y fácil propagación clonal (Simard, 2009; Claveria et al., 2012; Musachi et al., 2021).
En manzano, son numerosos los trabajos de selección de patrones que permiten controlar el vigor y además mejorar la eficiencia productiva del M9, destacando por su impacto presente y futuro en el sector productor la serie “Geneva” de Estados Unidos. En melocotonero, hay que citar diferentes selecciones de ciruelos (Adesoto 101) e híbridos interespecífos como los de la serie RootPAC que aportan un control eficiente del vigor además de una buena eficiencia productiva (Font i Forcada et al., 2020; Reig et al., 2020; Iglesias et al., 2018, 2000).
Actualmente, se está ensayando otro híbrido almendro x melocotonero (‘GN-8’) resistente a nematodos y de la misma serie que los citados anteriormente, con una considerable reducción del vigor. En la misma línea, se están estudiando los mecanismos moleculares que regulan la arquitectura del almendro, la influencia del portainjerto y la interacción entre éste y la variedad a la hora de desarrollar un porte o unas ramificaciones determinadas y así, seleccionar patrones y variedades con distintos tamaños y portes que puedan satisfacer las necesidades de los nuevos sistemas de cultivo en marcos más estrechos (Montesinos et al., 2021). Obtención de nuevos portainjertos híbridos de Prunus, con polivalencia para diferentes especies frutales de hueso, con gradación de niveles de vigor, que garanticen un buen calibre y otros parámetros de calidad del fruto, estabilidad de la producción, reducción de costes de producción y de fácil propagación clonal (Bielsa et al., 2021, Iglesias, 2019; Iglesias y Torrents, 2020; Iglesias et al., 2020; Mestre et al., 2020; Reig et al., 2018b; 2018c; 2019; Font i Forcada et al., 2019; 2020).
Retos y nuevos métodos de mejora genética de variedades y patrones
La mejora genética convencional de especies frutales está limitada por dos caracteres esenciales de los árboles: el gran tamaño de las plantas y los largos períodos intergeneracionales (desde la polinización hasta la evaluación de la descendencia pasan entre 2 o 6 años según la especie). Esto supone un elevado coste debido a la ocupación de mucho espacio durante un largo periodo de tiempo. Para muchas especies, en 20 años se pueden hacer dos o tres generaciones efectivas, lo que es claramente insuficiente. Por lo tanto, es imprescindible reducir el tiempo entre generaciones y entre polinización y selección y, al mismo tiempo, llevar al campo únicamente aquellas plantas que tengan una alta probabilidad de ser seleccionadas. La primera parte es una cuestión de manejo en campo e invernadero, y la segunda, de selección precoz basada en el ADN y desarrollo de sistemas para una rápida propagación clonal.
La mejora basada en la información genética puede lograrse por dos vías: la primera consiste en seleccionar con marcadores de ADN todos aquellos caracteres para los que esto sea posible en estado de plántula. Este tipo de selección es practicada rutinariamente por cada vez más programas de mejora de frutales, pero por ahora se limita a algunos caracteres de herencia mendeliana simple. Se trata de integrar también los de herencia más compleja, ya que muchos de los caracteres de interés agronómico son cuantitativos. Esto supone desarrollar e implementar aproximaciones de selección genómica basada en el conocimiento de la asociación entre un elevado número de marcadores y los diferentes fenotipos de interés, y en la creación de complejos modelos estadísticos (Guajardo et al., 2020) y recoger sistemáticamente toda la información fenotípica (Bielsa et al., 2021; Mignard et al., 2021).
Esto significará trabajar con muchos marcadores al mismo tiempo para predecir el comportamiento de cada plántula basándonos en el modelo estadístico creado con la información del conjunto de marcadores y fenotipos utilizados. Para implementar la selección genómica se debería obtener un número de plántulas muy superior al actual, por lo que las técnicas de polinización o de rescate de embriones mediante cultivo ‘in vitro’ deberán también ser mejoradas para lograr más semillas y plantas viables con menos esfuerzo. En resumen, se deberían obtener más plántulas en las que se deberá analizar un número elevado de marcadores (decenas o centenares) mientras todavía están en el invernadero. Esto permitiría pasar a campo un número limitado de plantas que deberían ser fenotipadas en detalle y usando para ello tecnologías de fenotipado de última generación siempre que sea posible (Lobato-Gómez et al., 2021a).
Esta aproximación, que sigue la norma de que el genotipo es el mejor fenotipo posible en esta primera fase, se complementa con el acortamiento del período intergeneracional gracias al crecimiento forzado de las plantas usando técnicas de cultivo in vitro, cámaras de cultivo o invernaderos, minimizando el período de germinación, juvenilidad, injerto, etc. Se trata de maximizar el número de generaciones por unidad de tiempo y, por tanto, la ganancia de selección (Watson et al., 2018).
Otro factor importante a tener en cuenta es que muchos de los genes que nos interesan vendrán de otras especies o de genotipos exóticos con muchas características indeseables. La integración en el genoma de estos genes se ha hecho raramente en frutales (p. ej. genes de resistencia al moteado en manzano) porque requiere un proceso larguísimo, ya que no se trata solamente de introducir el gen deseado, sino de recuperar el resto del genoma de los materiales elite descartándose así las características no deseadas. Esto ya es posible gracias a aproximaciones como la introgresión asistida por marcadores (Serra et al., 2016) que permite integrar un fragmento de ADN con un gen de interés dentro del pool genético comercial en dos generaciones de retrocruzamiento. Además, la creación de colecciones de líneas con muy pocos fragmentos cromosómicos procedentes de materiales silvestres o exóticos en el fondo genético elite de algunos frutales, permitirá rescatar para la mejora nueva diversidad procedente de especies lejanas
y altamente variables.
Algunas de las variedades antiguas o modernas, actualmente en cultivo, tienen enormes cualidades y son apreciadas por los consumidores, pero se convierten en obsoletas a causa de las mejoras introducidas en variedades más modernas, o de la necesidad de determinados caracteres en las variedades futuras (específicamente los que confieran mayor adaptación al cambio climático y los requerimientos de sostenibilidad y agricultura verde). Integrar en estos genotipos excepcionales otros genes que puedan mejorarlos manteniendo sus propiedades varietales básicas se considera inviable por métodos convencionales, en particular porque la reconstrucción de los genomas heterocigotos en generaciones segregantes aparece como un puzle de imposible resolución.
Métodos, como la “resíntesis”, basados en la selección con marcadores que cubran bien el genoma (Eduardo et al., 2020) permiten encontrar parejas de líneas altamente homocigotas que cruzadas resultan en individuos parecidos a la variedad original, pero con algunos cambios relevantes (p. ej. época de maduración). Además, una vez obtenidas, las dos líneas parentales pueden ser mejoradas con relativa facilidad integrando genes de interés de otros orígenes, lo que permite una constante puesta al día de la variedad.
Las aplicaciones anteriores requieren la integración rutinaria de la toma de muestras (habitualmente de hoja) y extracción de ADN, además del estudio de un número variable de marcadores en muchos individuos, en períodos relativamente cortos de tiempo (días o semanas) y a precios bajos. Esto es posible, particularmente con el uso de determinadas plataformas de SNPs (marcadores de un solo nucleótido). Para ello la empresa tiene que disponer de una infraestructura interna que pueda cubrir estas necesidades o acceder a un servicio externo que proporcione eficientemente esta información. El pequeño tamaño de muchas empresas de mejora de frutales hace más viable la segunda opción que la primera, abriendo una oportunidad de mercado para servicios ya existentes o nuevos que puedan ofrecer a los mejoradores lo que necesitan, idealmente con un conocimiento suficiente del sector que permita extraer el máximo rendimiento de estas poderosas herramientas.
Al mismo tiempo, la concepción de la mejora debe evolucionar hacia una planificación con objetivos muy precisos con respecto a las características deseadas en una nueva variedad, con la integración de herramientas de predicción para seleccionar parentales y descendencias, con la utilización de descendencias más numerosas y con una visión de los objetivos deseados más a largo plazo que impliquen varias generaciones de mejora. La segunda vía hacia la obtención de nuevas variedades es la edición génica, es decir la modificación controlada de secuencias específicas de genes de función conocida que puedan producir efectos de interés en una variedad existente.
Esta metodología, difiere de las plantas transgénicas en que las variedades cultivadas no contienen ADN externo. El nuevo fenotipo se consigue a base de modificar, a veces mínimamente, la secuencia de ADN de un gen en el lugar del genoma donde este gen se encuentra. El proceso de edición suele requerir la creación de plantas transgénicas, pero los genes transferidos se depuran previamente de la variedad final editada. La aplicación de esta técnica en frutales puede significar la remodelación de variedades ya existentes con la inclusión de características nuevas que aumenten su valor.
Todo ello en un período corto de tiempo, inferior incluso al que supondría la resíntesis mencionada anteriormente. Existen algunos ejemplos conocidos de variedades de frutales obtenidos por transformación genética, como la ciruela europea resistente a sharka o las manzanas Artic® en las que el fruto no se oxida. Sin embargo, la edición génica en frutales está todavía en su infancia, aunque exista ya una pequeña lista de caracteres modificados genéticamente mediante esta tecnología (Lobato-Gómez et al., 2021b).
La combinación de los mejores patrones y variedades, unido a la arquitectura bidimensional de la copa y la tecnología de producción caracterizaran la fruticultura en el Horizonte 2040 integrando eficientemente la monitorización, digitalización, mecanización y robótica para el uso eficiente de los inputs. A la izquierda tratamiento multilínea en viña (Over Tree Row), a la derecha recolección robotizada en manzana. Siendo la edición génica una tecnología con un potencial enorme, su aplicación puede estar comprometida a corto-medio plazo por varias razones. Los aspectos regulatorios son todavía un factor limitante en Europa, ya que las plantas editadas tienen igual consideración que las transgénicas y la posibilidad de que este marco legal cambie, a qué plazo y en qué sentido es de muy difícil predicción.
Sin embargo, estas limitaciones regulatorias se han reducido o desaparecido en un creciente número de países del resto del mundo, lo que debe ser tenido en cuenta por las empresas que se dirigen a un mercado global. Hay otros elementos de tipo comercial, como ¿va a tener la misma aceptación por el consumidor una variedad procedente de edición génica que otra convencional?. Es posible que esta aceptación sea más fácil en especies de gran cultivo que suelen formar parte de alimentos procesados, pero quizás en frutales y hortalizas, que se consumen en fresco, o en otros productos como el vino existan mayores reticencias. En otro orden de cosas, hay aspectos de tipo más técnico, uno de los cuales es si el problema que se pretende resolver depende de la modificación de un gen o un pequeño número de genes.
Muchas veces la solución no se conoce y obliga a un período de experimentación previa que puede ser largo, con costes y riesgos evidentes. Otra cuestión es si la variedad de interés es fácilmente editable. En muchas especies de frutales, solamente algunos genotipos son tratables para esta tecnología mientras que, en otras, como en casi todos los frutales de hueso, la especie es recalcitrante al uso de tecnologías in vitro. En cualquier caso, la edición génica va a ser una metodología de uso creciente en los programas de mejora, que tendrán que integrarla de una manera u otra dentro de su plan de investigación y desarrollo.
Las variedades o portainjertos seleccionados a partir de programas de mejora, basados en el cruzamiento de parentales con caracteres de interés, que incorporan ahora o en un futuro las técnicas de selección asistida por marcadores, siguiendo estrategias de resíntesis o de edición génica, necesitan ser propagados clonalmente, con garantías sanitarias y de estabilidad varietal. Las empresas de propagación in vitro de portainjertos y variedades han incorporado el microinjerto y el crecimiento en invernadero o vivero en su sistema productivo de plantas listas para su plantación en campos de todo el mundo. Los costes de producción de dichas plantas son, en gran parte, debidos a la mano de obra especializada requerida para la correcta manipulación de los brotes en condiciones asépticas. La reducción de dichos costes en las empresas propagadoras pasa por el diseño de sistemas de cultivo in vitro que permitan reducir los tiempos de manipulación de las plántulas y su automatización (Dolcet-Sanjuan y Mendoza 2020).
Las empresas tanto de mejora de frutales como las viverísticas, propagadoras o multiplicadoras del material vegetal, tienen una gran oportunidad para abordar los retos del futuro en la innovación de variedades y patrones, de forma que esta innovación se traslade de forma eficiente al sector productor. Ello requerirá un período importante de cambios para conseguir adaptarse a unos retos tecnológicos sin precedentes, que requerirán una inversión importante en conocimiento e infraestructura. Estos retos, supondrán también nuevas oportunidades, que ya han sido o están siendo realizadas por los mejoradores de cultivos herbáceos (cultivos extensivos y hortícolas), por lo que existen modelos donde inspirarse en el caso de los frutales. En este caso, el pequeño tamaño de muchas de las empresas de mejora y propagadoras de frutales supone una singularidad adicional, que necesitará aproximaciones innovadoras y posiblemente implicará una importante remodelación del sector.
Conclusiones
La mejora genética de patrones y variedades ha experimentado un importante avance en los últimos años, aunque diferencial entre especies y con un mayor avance en variedades. Los retos de futuro son múltiples y pasan por una producción sostenible ambientalmente para los productores y por una adaptación a los requerimientos de los circuitos comerciales y de los consumidores. La consecución de estos retos se basa fundamentalmente en la innovación en material vegetal y en la tecnología de producción.
Con respecto a la innovación en variedades y portainjertos, el camino recorrido en las últimas décadas ha sido muy destacable, pero deberá acelerarse ante los retos urgentes del futuro como son la adaptación al cambio climático y a una fruticultura de precisión ó 4.0, conducente al uso eficiente de los inputs mediante una intensificación sostenible. El hecho de tratarse de numerosas especies frutales, de muchas variedades y patrones, con superficies reducidas en comparación con los cultivos extensivos (cereales, hortícolas, etc.), disminuye el impacto de la innovación en cada especie por la dispersión de los recursos en la obtención de nuevas variedades y patrones.
Los importantes avances experimentados en las herramientas de creación de variabilidad y de selección de descendencias, como la edición genética, abren un camino prometedor al permitir reducir el período entre generaciones y posibilitar una selección más eficiente. Y en el Horizonte 2040, sin lugar a dudas, el camino recorrido habrá sido espectacular y difícil de predecir al albor de los enormes avances de la ciencia al servicio de la mejora genética y de la innovación. Combinado este avance con el de las nuevas tecnologías de producción como la mecanización, la sensórica, la monitorización o la robótica, no es difícil imaginar cómo serán las plantaciones del futuro y los frutos que consumiremos. Una historia apasionante para dar respuesta a los retos de la alimentación en nuestro planeta para el siglo XXI.
Iban Eduardo1, Pere Arús1, Ramón Dolcet-Sanjuan2, María José Rubio-Cabetas3-4, María Ángeles Moreno5 e Ignasi Iglesias6
1 IRTA-CRAG Bellatera, 2 IRTA-Fruitcentre, 3 Unidad de Hortofruticultura. Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón (CITA), 4 Instituto Agroalimentario de Aragón – IA2 (CITAUniversidad de Zaragoza), 5 CSIC-Estación Experimental de Aula Dei, 6 Agromillora Group.
