RECURSOS FITOGENETICOS. M. Perez de la Vega. Area de Genetica, Fac. de Biologia y E. S. y T. de Ing. Agraria, Universidad de Leon. El estudio y conservacion de los recursos geneticos es una disciplina emergente en la que obviamente la Genetica es la clave en la que se apoyan otros componentes del arco de las ciencias puras y aplicadas que estudian a los seres vivos y su utilizacion por el hombre. En este trabajo se pretende dar una vision general de las causas y origenes de esta disciplina, y de algunos aspectos en los que la Genetica incide directamente, todo ello centrado en los recursos vegetales en los que comparativamente se ha avanzado mucho mas que en los recursos animales o microbianos. La diversidad entre especies y dentro de cada especie, biodiversidad, es una caracteristica facilmente observable. Una parte de esta biodiversidad es lo que reconocemos como recursos geneticos cuya definicion, segun la FAO (1989), es "el material hereditario con valor economico, cientifico o social contenido en las especies"; definicion que incluye una enorme cantidad de especies si se acepta que su valor sea al menos potencial. Sin embargo, frecuentemente el termino de recursos fitogeneticos se entiende por los mejoradores de forma mas limitada, incluyendo en el los pocos cientos de especies cultivadas, pratenses y forestales con utilidad directa y/o cuya diversidad genetica puede usarse en mejora y domesticacion. Otro de los hechos facilmente observables en la naturaleza es la adaptacion de los seres vivos a su medio natural, lo que implica adaptacion a condiciones del medio fisico (climaticas y edaficas) y del medio biologico: mecanismos de defensa contra predadores y patogenos. Sin embargo, podemos constatar que el origen de las sociedades agricolas y ganaderas se ha asociado a dos hechos: el uso de una parte muy reducida de la biodiversidad existente en cada una de las areas en que estas sociedades comenzaron, y a la adaptacion de las especies elegidas a nuevas condiciones favorables al uso humano (domesticacion). Pero en general la adaptacion a las condiciones de domesticacion (perdida de los mecanismos de dispersion de semillas, disminucion o eliminacion de mecanismos de defensa, por ejemplo) se opone a los mecanismos naturales de adaptacion y esta asociada a cambios morfologicos y/o fisiologicos. En muchos casos estos cambios hacen que sea dificil reconocer la especie silvestre de la que surgio la correspondiente cultivada. El inicio de las sociedades agrarias se ha basado siempre en la domesticacion de no mas de una decena de especies vegetales: fuentes de hidratos de carbono, de proteinas, de grasas y de fibras (D. Zohary, comunicacion personal). Por ejemplo, el inicio de la civilizacion en Oriente Medio - Mediterraneo se baso en la domesticacion de trigo y cebada; lentejas, guisantes y habas; y lino. Con posterioridad el numero de especies fue incrementandose (avena, centeno, olivo, frutales, etc.), y los intercambios entre culturas y los movimientos migratorios fueron aumentando el numero de especies cultivadas usadas en cada area. En este sentido el descubrimiento de America y los intercambios ocurridos en los siglos posteriores representan el maximo de diversidad en los sistemas agrarios. Pero paradojicamente, como consecuencia de los nuevos territorios disponibles se sientan las bases para el inicio de la reduccion en la diversidad y los recursos geneticos en agricultura: el establecimiento de extensos monocultivos de cafe, canya de azucar, algodon, tabaco, etc., en las colonias. El segundo antecedente hacia la reduccion en la diversidad es la Revolucion Industrial. Supone la aparicion de herramientas y maquinaria que por una parte cambian paulatinamente los metodos agricolas y por otra facilitan el transporte de abonos (guano de Chile, por ejemplo) y cosechas, permitiendo asi el monocultivo en grandes extensiones productivas y la venta de excedentes lejos de las areas de produccion. Igualmente, la sintesis quimica permite producir sustancias y fibras que sustituyen a tintes, farmacos, fibras naturales y otros productos obtenidos de plantas. Pero ha sido durante este siglo, y fundamentalmente durante los ultimos 50 anyos, cuando el fenomeno de la erosion genetica ha alcanzado unas dimensiones globales: la uniformidad ha sustituido a la diversidad a nivel mundial. El rendimiento, y la uniformidad que facilitan la mecanizacion, los tratamientos con fertilizantes, plagicidas, etc., el almacenado y el procesado, son factores que determinan la rentabilidad del producto y por tanto condicionan la agricultura en nuestros dias; abandonandose el cultivo de las especies menos rentables, las de dificil mecanizacion, aquellas que no pueden venderse (cash crops) y aumentando la superficie sembrada de cada vez menos especies. Como consecuencia de todas estas circunstancias ciertas especies han dejado de cultivarse o se siguen cultivando de forma marginal (Reseda luteola, gualda; Lathyrus, muelas y titarros; Vicia, algarrobas; Amaranthus; Solanum quitoense, naranjillas, y tantas otras). Pero hoy dia la humanidad depende no solo de menos especies vegetales para su subsistencia (Tabla 1) si no que en estas las variedades locales (landraces), generalmente variables y localmente adaptadas pero de menor rendimiento, han sido sustituidas por unos pocos cultivares uniformes de alto rendimiento. Si revisamos la genealogia de muchos de los cultivares modernos de maiz, trigo, etc. veremos que la base genetica de todos ellos es estrecha y muchos de sus genitores son comunes. La agricultura "pretecnologica" favorece la diversidad de cultivos, su rotacion, e incluso la variabilidad dentro de un mismo cultivo; por el contrario la agricultura actual favorece el monocultivo de grandes superficies con variedades uniformes. En definitiva el acervo genetico del que la humanidad depende para su alimentacion se ha reducido dramaticamente. Cual es el problema?. Sabemos que la variabilidad genetica asegura una mejor respuesta de una poblacion o especie a condiciones ambientales variables y cambiantes. Una poblacion geneticamente variable presenta en general una respuesta mucho mas plastica frente a diferentes condiciones ambientales, mientras que en las uniformes todos los individuos responden de la misma forma o en el mismo grado. El peligro reside por tanto en que ante determinadas condiciones (climaticas, patogenos, etc.) todas las plantas de cultivares uniformes son igualmente susceptibles pudiendo, en la situacion mas extrema, llegar a extinguirse todas. Existen algunos ejemplos de situaciones de este tipo, como la susceptibilidad a Helminthosporium maydis ( Drechslera maydis) de los hibridos de maiz con citoplasma [T] y asociada a la proteina codificada por el gen mitocondrial urf13 del locus complejo T-mcr. El otro gran problema radica en que toda especie, raza, variedad, etc., perdida es una perdida irrecuperable. A principios de este siglo algunos cientificos como N. I. Vavilov empezaron a darse cuenta de la importancia de conservar los recursos geneticos. Pero se han necesitado varias decadas para que los recursos geneticos se hayan considerado sujetos de un area distintiva de la investigacion cientifica. El reconocimiento internacional del peligro creciente de la erosion genetica puede datarse en la Conferencia de la FAO de 1967 y en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Humano de 1972. Ante el reconocimiento de este peligro de erosion genetica se creo en 1974 un organismo internacional que promoviese y coordinase a nivel mundial la recoleccion, conservacion e investigacion sobre recursos fitogeneticos: el entonces bautizado IBPGR y ahora denominado IPGRI (International Plant Genetic Resources Institute). Sus objetivos generales son saber que y cuales son los recursos geneticos existentes (pensemos tambien en los potencialmente utiles), como conservarlos y como utilizarlos, evitando que la erosion genetica sea irreversible. Respecto a cuales son los recursos geneticos es claro que conocemos un primer grupo: las especies cultivadas, sus formas silvestres y las especies silvestres afines. Respecto al segundo nivel, las que pueden ser utiles, conocemos muy poco, lo que significa una necesidad de investigacion. Actualmente, alcanzado un nivel aceptable de conservacion de lo que se podia conservar de las especies mas importantes, se ha incrementado el interes, la investigacion y la conservacion de otras especies, entre la que las forestales se encuentran en una primera fila. Como ejemplos de este nuevo interes se pueden citar los procesos de domesticacion o reutilizacion de especies de los generos Amaranthus, Lupinus, Fagopyron, etc., el interes por conocer las especies silvestres emparentadas con las especies cultivadas europeas promovido por el Comite Cientifico del Consejo de Europa, el programa de especies mediterraneas infrautilizadas promovido por el Gobierno Italiano y auspiciado por el IPGRI, el inventario de especies promisorias en varios paises iberoamericanos, etc. El aspecto de como conservar es uno de los mas desarrollados. Este aspecto implica los metodos de conservacion en si y los previos de recoleccion. Los estudios realizados sobre las tecnicas de muestreo, recoleccion y conservacion son numerosisimos, y sobre algunos aspectos insistire mas adelante. En el aspecto concreto de la conservacion, esta puede realizarse in situ o ex situ. El primer tipo es usado fundamentalmente con especies silvestres, forestales o no, y en muy baja proporcion con especies cultivadas. En los paises desarrollados es practicamente imposible, y en los paises en vias de desarrollo lo es cada vez mas, conservar in situ las variedades locales adaptadas a tecnicas de laboreo y herramientas agricolas en uso decreciente o desaparecidas. Por otra parte, por ejemplo, para una variedad local de trigo adaptada a un laboreo con arado tirado por animales, siega manual y trilla mediante trillo de cuchillas de pedernal las nuevas condiciones ambientales que determina un laboreo mas profundo y una recoleccion y trilla con cosechadora determinan probablemente una nueva direccion selectiva. La conservacion ex situ puede realizarse con plantas completas (arboretos, jardines botanicos, etc.), mediante conservacion de semillas (bancos de germoplasma) o in vitro, dependiendo de las caracteristicas de cada especie. Incluso se ha establecido una red mundial para la conservacion de DNA en bancos apropiados. Los distintos metodos de conservacion presentan problemas diferentes en cuanto a manejo de la coleccion y a costos. Sin duda el metodo operativamente mas facil y mas barato es el de los bancos de semillas o bancos de germoplasma, donde las semillas pueden conservarse en condiciones adecuadas durante decadas o incluso siglos (en este ultimo caso es obviamente una extrapolacion teorica sin confirmacion experimental, aunque muy probablemente real) sin que pierdan de forma significativa capacidad germinativa. A su vez el mantenimiento y manejo de las colecciones de germoplasma presenta aspectos tan interesantes como las formacion de colecciones nucleares (core collection), mas faciles de usar por el mejorador al estar formadas por un numero menor de muestras o accesiones pero representativas de la coleccion total. Sin embargo no es un problema trivial la eleccion de las muestras que formaran una coleccion nuclear sin que se pierda variabilidad genetica util dado que algunos genes utiles (genes de resistencia, por ejemplo) son poco frecuentes. El ultimo aspecto, la utilizacion, es crucial en la conservacion de los recursos geneticos. Estos deben tener una utilidad economica, cientifica o social al menos potencial o no seria posible convencer a los organismos financiadores, en su inmensa mayoria publicos, y conseguir la aun insuficiente financiacion actual. En el capitulo de la utilizacion es crucial disponer de colecciones activas a disposicion de mejoradores y cientificos, por ello los bancos de germoplasma no deben limitarse a la mera conservacion a largo plazo. Mantener una coleccion activa no es una tarea facil si se consideran los miles de muestras de especies cultivadas que cada banco conserva, a los que habra que anyadir un numero creciente de especies silvestres, hasta ahora poco representadas (Tabla 2). La facilidad de utilizacion de estos recursos depende de la facilidad de transferir genes a las variedades cultivadas, por lo que generalmente se clasifican en tres niveles: variedades cultivadas, formas silvestres de la misma especie, y especies e incluso generos afines; aunque la Biotecnologia y las tecnicas de transferencia de genes estan rompiendo las barreras interespecificas para el intercambio de genes. El uso de los recursos geneticos requiere un trabajo arduo y costoso de documentacion, caracterizacion agronomica, evaluacion de la variabilidad genetica, estudios filogeneticos, etc., lo que abarca aspectos basico y de investigacion. En ambos la utilizacion de marcadores geneticos bioquimicos y moleculares es general y se orienta no solo a la caracterizacion y la evaluacion de la variabilidad si no tambien a otros aspectos relacionados directamente con el uso de los recursos. Espero que despues de todo lo anteriormente expuesto, la relacion existente entre la recoleccion y conservacion de recursos geneticos y la Genetica de poblaciones y evolutiva sea ya clara. La estructura genetica de poblaciones y de la distribucion de la variabilidad en las especies estan determinadas en gran medida por el sistema de reproduccion, por lo que este es un factor fundamental en las estrategias de recoleccion y de conservacion de recursos fitogeneticos, ademas de determinar los metodos de uso del germoplasma y de mejora. La reproduccion sexual y asexual son mecanismos geneticamente opuestos de transmision de la informacion hereditaria, y a su vez dentro de cada uno de ellos existen distintas alternativas (por ejemplo autogamia frente a alogamia) que generan estructuras geneticas y distribucion de la variabilidad particulares e incluso contrapuestas. Es de resaltar que una gran parte de las especies cultivadas son especies fundamentalmente autogamas o de reproduccion asexual, o se han adaptado a estos sistemas de reproduccion, al menos facultativamente, durante la domesticacion. Ambos sistemas tienen como consecuencia la supresion de hecho de la recombinacion y la segregacion geneticas o de sus consecuencias. Sin embargo, por ejemplo, la estructura genetica de poblaciones de especies autogamas o de especies de reproduccion asexual facultativa son generalmente distintas: en las primeras la homocigosis es la norma mientras que la segundas la heterocigosidad puede ser incluso muy alta. Si excluimos las tecnicas de ingenieria genetica, los mecanismos de reproduccion determinan tambien la facilidad o dificultad para pasar genes de unos individuos a otros, de conservar los nuevos genotipos obtenidos y en definitiva de mejora. No podemos olvidar tampoco que la poliploidia es un fenomeno muy frecuente en las especies de plantas superiores, que una alta proporcion de especies cultivada son poliploides (trigo, avena, algodon, patata, platano, etc.) y que la poliploidia determina estructuras geneticas particulares, sobre todo asociada con autogamia o con reproduccion asexual. Mi aproximacion a los recursos geneticos se ha producido desde la Genetica de poblaciones. Estaba, y estoy, interesado en cual es la estructura genetica de las poblaciones y especies cultivadas y sus afines silvestres, como se distribuye en y entre especies, que efecto tienen los sistemas de reproduccion. Hemos trabajado hasta ahora fundamentalmente con especies de gramineas, tanto cultivadas como con especies silvestres proximas, entre las que destacan los trabajos en el genero Avena, y mas recientemente con leguminosas. Como es obvio, una vez introducidos en el campo de los recursos geneticos, hemos empezado a trabajar tambien en su utilizacion. Para terminar quisiera indicar algunas conclusiones que en parte estan tomadas de trabajos de otros autores, entre ellos el Prof. Allard, y en parte de nuestro propios trabajos (Allard et al., 1993; Perez de la Vega et al., 1994). 1) La domesticacion de las distintas especies ha ido asociada a una reduccion de la variabilidad genetica presente en la correspondiente especie silvestre. 2) Generalmente los genes que contribuyen a una mejor adaptacion en las poblaciones silvestres tambien suelen hacerlo en las formas cultivadas. 3) Las poblaciones silvestres y las variedades locales de especies autogamas estan formadas generalmente por mezclas de genotipos, manteniendo niveles de variabilidad altos o muy altos. Igualmente se observa la organizacion de asociaciones alelicas multilocus que se conservan. 4) En estas poblaciones y especies la distribucion geografica de los genotipos multilocus parece ajustarse a patrones de adaptacion a condiciones ambientales. Por tanto es necesario conocer las distintas condiciones climaticas y edaficas del area de distribucion de cada especie para una correcta recoleccion de germoplasma. 5) Los puntos anteriores determinan estrategias claras de recoleccion, conservacion y uso de germoplasma. Por ejemplo, para autogamas seria mejor recolectar muestras pequenyas en el mayor numero posible de habitats que muestras mayores en un numero mas reducido de lugares ecologicamente distintos. Mi ultima reflexion es sobre la enormidad de la tarea de conservar los recursos fitogeneticos. Si bien es cierto que aproximadamente un centenar de especies representan el 90% de la alimentacion mundial y que solo siete especies de cereales representan el 50% del consumo humano directo, Sanchez-Monge en su libro 'Diccionario de Plantas Cultivadas' describe 3.933 especies, y Heywood (ver Gustafson et al., 1993) indica que unas 5.000 especies han sido cultivadas en un momento u otro, pero que hasta 25.000 han sido usadas como plantas medicinales; si incluimos las de valor cientifico (Arabidopsis!) o social (elementos caracteristico de la flora local, por ejemplo) y las silvestres proximas a las cultivadas el numero se multiplica. Pero, cuantas de las especies mal conocidas o desconocidas son potencialmente utiles?. Referencias Adams, R. P., Adams, J. E (Eds.). 1992. Conservation of Plant Genes. DNA banking and in vitro Biotechnology. Academic Press. 1992. Allard, R. W., Garcia, P., Saenz de Miera, L. E., Perez de la Vega, M. 1993. 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Domestication of Plants in the Old World. (2nd edition). Oxford Univ. Press. 1993. Tabla 1. Los treinta mayores cultivos en cuanto a produccion1 anual. Especie(2) Produccion % en la alimentacion humana (3) Trigo 420 19,6 Maiz 385 5,4 Arroz 375 21,2 Patata 285 4,9 Cebada 170 1,5 Batata 145 Mandioca 100 2,0 Soja 95 Uvas 70 Avena 65 Sorgo 55 2,1 Canya de azucar 55 Naranja 55 Mijo 50 2,0 Platano 40 Tomate 40 Remolacha azucarera 35 Centeno 35 1,6 Manzana 35 Coco 30 Algodon (semilla) 30 Cacahuete 25 Nyame 20 Sandia 20 Col 15 Alubias 10 Guisantes 10 Girasol (semilla) 10 Mango 10 1 Produccion en millones de toneladas metricas, no en valor de mercado del producto. No estan incluidos los forrajes verdes. 2 En muchos casos es un conjunto de especies biologicas. 3 Consumo humano directo. El resto de los productos vegetales representa el 40% restante. Aproximadamente el 50% de la alimentacion humana depende de 7 cereales, y el 40% de trigo y arroz. Segun Ford-Lloyd y Jackson, 1986, y Poehlman, 1994. Tabla 2. Ejemplo de la distribucion entre muestras de algunas especies cultivadas y silvestres en un banco de germoplasma Especies N. de muestras % de silvestres N. de especies silvestres Triticum 5085 4,2 15 Hordeum 3330 3,2 15 Avena 511 4,1 8 Pisum 734 0,6 4 Solanum 2660 73,6 112 Beta 2058 1,9 7 Lactuca 1837 33,6 19 Allium 1001 3,0 6 Spinacia 363 2,8 2 Tomado de Soest y Boukema, 1994.