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La búsqueda genética revela la clave de la resistencia en la plaga mundial del algodón


Universidad de Arizona

En la batalla más reciente en la interminable guerra entre granjeros y bichos, los bichos se están tragando al adaptarse a cultivos genéticamente diseñados para matarlos.


Un nuevo estudio publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias identifica una mutación predominantemente hereditaria que confiere resistencia al algodón artificial en las orugas del gusano del gusano del algodón, una de las plagas de cultivos más destructivas del mundo. El uso de vanguardia del estudio de la genómica y la edición de genes marca una nueva era en los esfuerzos globales para promover un control de plagas más sostenible.

El algodón, el maíz y la soja han sido diseñados por ingeniería genética para producir proteínas que eliminan las plagas de la bacteria Bacillus thuringiensis, o Bt. Estas proteínas Bt, inocuas para el medio ambiente, no tóxicas para las personas y la vida silvestre, incluidas las abejas, se han utilizado en pulverizaciones por los cultivadores orgánicos durante más de 50 años y en cultivos Bt diseñados por millones de agricultores en todo el mundo con un total acumulado de más de dos mil millones de acres desde 1996.

Los entomólogos de la Universidad de Arizona, la Universidad de Tennessee y la Universidad Agrícola de Nanjing en China colaboraron en el estudio de tres partes. Sus objetivos fueron identificar la mutación que confiere resistencia a Bt en gusanos de cápsula, editar con precisión un gen de gusano de cápsula para probar que esta mutación causa resistencia y descubrir cómo la resistencia se está extendiendo a través de los campos de algodón en China.

«Es una notable historia de detectives», dijo Bruce Tabashnik, profesor de Regentes en el Departamento de Entomología de la UA y coautor del estudio. «Sin los últimos avances en tecnología genética, no habría sido posible encontrar el único cambio en el par de bases del ADN que causa resistencia entre los cientos de millones de pares de bases en el genoma del gusano de la cápsula».

Durante años, los científicos han sabido que los insectos pueden desarrollar resistencia a las proteínas Bt, al igual que a los insecticidas convencionales. Sin embargo, la resistencia al Bt se hereda recesivamente en casi todos los casos estudiados anteriormente. Esto significa que los insectos deben tener dos copias del gen de resistencia, una de cada padre, para que puedan alimentarse y sobrevivir en el cultivo Bt.

Para combatir la resistencia, los agricultores siembran refugios de cultivos no Bt, donde los insectos susceptibles pueden prosperar. La idea es que los insectos resistentes raros se apareen con los insectos susceptibles más abundantes de los refugios, produciendo descendientes que albergan solo una copia del gen de resistencia. Con una resistencia hereditaria recesiva, tales descendientes no sobreviven en el cultivo Bt.

Aunque los refugios no detienen por completo la evolución de la resistencia, pueden retrasarla sustancialmente, especialmente cuando la resistencia es recesiva.

Pero en China, el periódico informa que la resistencia dominante de los gusanos de la lombriz a Bt está en aumento. Sólo una copia de una mutación dominante hace que un gusano de gusano sea resistente.

Debido a que la base genética de la resistencia dominante al Bt era desconocida previamente, los investigadores tuvieron que examinar el genoma completo del gusano de la cápsula para encontrar al culpable. Al comparar el ADN de lombrices resistentes y susceptibles, redujeron la búsqueda de 17,000 genes a una región de solo 21 genes asociados con la resistencia.

«Pero solo 17 de esos genes codifican proteínas producidas por las orugas», dijo Tabashnik, explicando que solo las orugas del gusano se alimentan de algodón y pueden ser eliminadas por las proteínas Bt.

«Al comparar las secuencias de esos 17 genes entre las cepas, solo hubo una diferencia consistente», dijo Tabashnik. «Hubo una posición en la que todos los gusanos de la cápsula resistentes tenían un par de bases de ADN y todos los gusanos de la cápsula susceptibles tenían un par de bases de ADN diferente».

La búsqueda genética revela la clave de la resistencia en la plaga mundial del algodón
Los 30 millones de hectáreas de pequeñas granjas en el norte de China incluyen un mosaico de campos sembrados con algodón diseñado genéticamente para producir una proteína que mata insectos y «refugios» de otros cultivos que no producen tales proteínas. Crédito: Ming Zhang, Microfotos

Este par de bases pivotal se encuentra en un gen recientemente identificado llamado HaTSPAN1, que codifica una tetraspanina, una proteína que contiene cuatro segmentos que abarcan las membranas celulares. Aunque la función normal de HaTSPAN1 no se conoce, muchas otras tetraspaninas son importantes en la comunicación de célula a célula. A pesar de casi 30,000 estudios previos de Bt o tetraspaninas, el nuevo estudio es el primero en encontrar una conexión fuerte entre ellos.

Con el par de bases mutantes identificado, el segundo desafío fue determinar si esta mutación única causa resistencia. Para averiguarlo, el equipo de investigación utilizó la herramienta de edición de genes CRISPR para alterar con precisión solo el gen HaTSPAN1. Cuando el gen se rompió en lombrices resistentes, se volvieron completamente susceptibles a Bt. A la inversa, cuando la mutación se insertó en el ADN de los gusanos de la cápsula susceptibles, se volvieron resistentes, lo que demuestra que este solo cambio de par de bases puede causar resistencia.

El último paso fue probar la hipótesis de que esta mutación contribuye a la resistencia al algodón Bt en el campo. Al detectar la mutación en el ADN de miles de polillas de gusano de la tortuga recolectadas recolectadas entre 2006 y 2016, los investigadores encontraron que la frecuencia de la mutación aumentó en un factor de 100, de 1 en 1,000 a 1 en 10.

Los bollworms resistentes aún no son lo suficientemente numerosos como para disminuir notablemente la producción de algodón en China, pero el gen dominante se está propagando más rápido que otros genes de resistencia. El análisis de Tabashnik predice que si la tendencia actual continúa, la mitad de los gusanos de algodón del norte de China tendrán resistencia conferida por esta mutación dentro de cinco años.

«Si las cosas continúan en la misma trayectoria, esta es la mutación que va a causar problemas a los agricultores en el campo», dijo Tabashnik.

Sin embargo, es lo suficientemente temprano para que los agricultores en China cambien sus tácticas y rechacen la resistencia Bt. El documento menciona que podrían cambiar del algodón que produce solo una proteína Bt a los tipos de algodón cultivados en los Estados Unidos y Australia, que producen dos o tres proteínas Bt distintas. Tabashnik espera que la nueva investigación estimule una mayor sostenibilidad para los agricultores.

«Les da la información para tomar decisiones constructivas y proactivas antes de que sea demasiado tarde», dijo Tabashnik.

Al muestrear las poblaciones de plagas de un año a otro, los agricultores e investigadores pueden aprender qué métodos son más efectivos para frustrar la resistencia.

Entender la resistencia al gusano de la lombriz tiene implicaciones globales porque ocurre en más de 150 países y ahora amenaza con invadir los Estados Unidos.

«Será interesante detectar esta mutación en el gusano de algodón de Australia, India y Brasil», dijo Yidong Wu, profesor de entomología en la Universidad Agrícola de Nanjing, quien dirigió la investigación en China.

Por supuesto, la tecnología para escanear genomas no se limita a una especie de plaga de cultivos.

«Los datos muestran que las exploraciones genómicas serán útiles para monitorear la evolución de la resistencia no solo para Bt, sino también para los insecticidas en general», dijo Fred Gould, quien no participó en el estudio pero es profesor de entomología en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y miembro de la academia nacional de ciencias.

Más información: Lin Jin el al., «Mutación puntual dominante en un gen de tetraspanina asociado con la resistencia desarrollada en el campo del gusano de la lombriz de algodón al algodón Bt transgénico», PNAS(2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1812138115 

Referencia del diario: Actas de la Academia Nacional de Ciencias.  

Proporcionado por: Universidad de Arizona


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