Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética José Pío Beltrán Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (UPV-CSIC) y Fundación Triptolemos

wwww.bibliotecahorticultura.com

2020

Cultivo, Material Vegetal

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética José Pío Beltrán jbeltran@ibmcp.upv.es Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (UPV-CSIC) y Fundación Triptolemos

Índice 1. La población creció más de lo previsto................................................. 4 2. La producción de alimentos también creció ........................................ 5 3. El aumento de la producción de alimentos por habitante se ha detenido ................................................................................................... 5 4. ¿Podrá en algún momento toda la humanidad tener garantizado el suministro de alimentos? ......................................................................... 6 5. Mejora de las plantas ........................................................................... 7 6. El vigor híbrido ...................................................................................... 8 7. Técnicas para aumentar las mutaciones .............................................. 9 8. Las plantas transgénicas ....................................................................... 9 9. La edición genómica ........................................................................... 10 10. El potencial real de la edición genómica .......................................... 11 11. Tomates a la carta por edición genómica......................................... 12 12. Los factores políticos y regulatorios ................................................. 13 Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons ReconocimientoNoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)

3

www.bibliotecahorticultura.com

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

Thomas Robert Malthus fue, quizás, el primer catedrático de economía política; trabajo académico que desempeñó en la Compañía de las Indias Occidentales de Inglaterra. En 1798 publicó “An assay on the Principle of Population” en el que concluía que la humanidad, en su conjunto, estaría sujeta a una escasez crónica de alimentos, y, por lo tanto, una parte de la población pasaría hambre. Su análisis describía el aumento exponencial de la población debido al instinto sexual de los hombres, mientras que su capacidad de producir alimentos sólo aumentaba, a lo largo del tiempo, de acuerdo con una progresión aritmética. Veamos qué ha sucedido, más de doscientos años después, con los análisis de Malthus y con sus predicciones.

1. La población creció más de lo previsto En primer lugar, respecto del aumento de la población, Thomas R. Malthus se quedó corto. Recordemos que cuando Malthus escribió su ensayo, la población mundial no superaba los 980 millones de personas, mientras que en 2020 la especie humana ya supera los 7.800 millones de individuos y los demógrafos calculan que seremos unos 9.000 millones en el año 2050 y para finales de siglo superaremos los 10.000 millones de personas. Todo ello, a pesar del control efectivo de la natalidad en amplias áreas geográficas como Europa, América del Norte, Latinoamérica y Oceanía, mientras que la población continúa creciendo vigorosamente en Asia y especialmente, en África.

www.bibliotecahorticultura.com

4

Cultivo, Material Vegetal

2. La producción de alimentos también creció Respecto de la predicción sobre el crecimiento de la producción de alimentos Malthus también se quedó corto. De hecho, durante varias décadas del siglo pasado se produjo, de la mano de Norman Borlaug, la llamada Segunda Revolución Verde. Este mejorador y, posteriormente, premio Nobel de la Paz, obtuvo variedades de trigo y arroz semi enanas por hibridación de variedades de tallo muy corto con variedades altamente productivas, y esos híbridos los cruzó de nuevo con variedades resistentes a enfermedades. Estos cruces dieron lugar a plantas con tallos fuertes que se desarrollan vigorosamente con fertilización nitrogenada y son capaces de soportar espigas con un mayor número de semillas. La combinación del uso de estas semillas con la mecanización del campo y la fertilización de los suelos produjo un aumento del rendimiento de las cosechas sin precedentes. Un país deficitario en la producción de alimentos, como era México, multiplicó en la década de 1960 su producción, de forma que se convirtió en país exportador de grano. Al expandirse el uso de estas nuevas variedades a otras partes del mundo, como India y Pakistán, la producción global de grano por habitante y año pasó de unos 250 kg en 1950 a más de 350 kg durante los años 90 del siglo pasado, con lo que la producción global de alimentos llegó a superar a la demanda.

3. El aumento de la producción de alimentos por habitante se ha detenido Sin embargo, en los últimos tiempos, el aumento anual de la producción de alimentos por habitante se ha detenido e incluso comienza a disminuir. La lucha de la FAO en pro de alcanzar la Seguridad Alimentaria

5

www.bibliotecahorticultura.com

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

parece haberse estancado en una situación donde unos 800 millones de personas están malnutridos o pasan hambre. Todo ello, sin contar el peligro que supone, para la producción y distribución de alimentos, pandemias como la que padecemos actualmente causada por el coronavirus SARS-CoV-2, que provoca la enfermedad Covid-19, que ya ha alterado seriamente los usos y la comercialización, por ejemplo, del trigo por el principal exportador, Rusia, o provocado aumentos en los desperdicios de alimentos, como el de las fresas en India, el del cacao blanco en Perú, el de la leche en Canadá o América del Norte, o el de las frutas, cosechadas o dejadas de cosechar, en Francia, Italia o España, desperdicios que se sumarán a los que ya producimos anualmente, que de forma global, se calcula tienen un valor de 400.000 millones de dólares o dicho de otra forma servirían para alimentar a unos 1.260 millones de personas (Torero, M., 2020). Todo ello nos conduce a la consideración de que, a pesar que las predicciones sobre el aumento de población y la capacidad de producir alimentos realizadas por Malthus han resultado equivocadas, de hecho, su conclusión acerca de la amenaza permanente de hambre que sufre una parte de la población humana se mantiene.

4. ¿Podrá en algún momento toda la humanidad tener garantizado el suministro de alimentos? ¿Podremos en algún momento garantizar que todas las personas tengan acceso económico y físico a una alimentación suficiente, segura y nutritiva que les permita disponer de una dieta adecuada para disfrutar de una vida activa y saludable? Para responder a esta cuestión hay que considerar de una forma holística el Sistema Alimentario Global, como hacemos desde la Fundación Triptolemos. Para que el Sistema

www.bibliotecahorticultura.com

6

Cultivo, Material Vegetal

Alimentario cumpla su función son necesarios diversos factores, como los que hacen posible la producción y disponibilidad de alimentos; factores económicos que permitan su transporte y adquisición, factores regulatorios que faciliten el libre comercio; la seguridad y la calidad nutricional de los alimentos; y factores culturales como los ligados a las preferencias gastronómicas de la población. Basten dos ejemplos para subrayar la importancia de estos últimos: se estima que si el potencial agrícola se concentrara en la producción de alimentos vegetales podríamos alimentar al doble de la población mundial actual. Esto es debido a que las calorías y las proteínas de los alimentos derivadas de animales son mucho más costosas de producir en términos de superficie de cultivo, consumo de agua, fertilizantes o productos fitosanitarios requeridos. Como es obvio, esto requeriría que toda la población mundial adoptara la cultura vegetariana o vegana; algo muy improbable. En segundo lugar, para resaltar la importancia de los factores culturales en alimentación, no quiero dejar de comentar la más que posible relación entre el consumo de algunos animales salvajes, debido a las preferencias gastronómicas de algunos grupos sociales, y la aparición de enfermedades emergentes como la causada por el SARS-CoV-2.

5. Mejora de las plantas La mejora genética ha jugado y jugará un papel fundamental entre los factores que pueden garantizar una producción de alimentos que facilite la disponibilidad de los mismos para toda la población, como comentaremos a continuación, pero ya adelanto que nunca va a ser la panacea que resuelva todos los aspectos que permitan disponer de un Sistema Alimentario Global funcional.

7

www.bibliotecahorticultura.com

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

La mejora de las plantas se ha basado en los conocimientos técnicos y científicos disponibles a lo largo de la historia de la Agricultura. Hace más de diez mil años el hombre agricultor ya era consciente de que las plantas sufrían cambios a lo largo de las generaciones. No les hacía falta conocer las bases moleculares de dichos cambios - en realidad mutaciones de su material genético - para comprender que les era útil seleccionar las semillas. Por ejemplo, seleccionaban individuos que hubieran perdido la capacidad de dispersar las semillas, ya que la dispersión de semillas favorece la extensión de la especie en el medio natural, mientras que dificulta la recolección por parte del agricultor. Durante el siglo XVIII se generaliza en Inglaterra la selección de líneas vegetales en base a la multiplicación de plantas que portan las mutaciones deseadas y su combinación. Es este tipo de abordaje agronómico el que sustentaba la producción de alimentos a la que se refirió Malthus en 1798.

6. El vigor híbrido A partir de 1918, comienza lo que podemos denominar la época de la obtención de híbridos, que aprovechan el fenómeno de la heterosis o vigor híbrido que se observa en la primera generación descendiente de los cruces realizados para combinar caracteres deseados que portan las líneas puras de ambos parentales. La heterosis de los híbridos tiene un gran impacto sobre los aumentos de producción de las principales cosechas dedicadas a la alimentación. Como ejemplo podemos señalar que, a partir de 1960, con la introducción de semillas híbridas, en tan solo unas décadas, la superficie necesaria para producir una tonelada de maíz en España se reduce a una tercera parte.

www.bibliotecahorticultura.com

8

Cultivo, Material Vegetal

7. Técnicas para aumentar las mutaciones A partir de 1928 se incorpora a las estrategias de mejora de las plantas de cosecha el uso de las radiaciones para generar mutaciones que aumentan la diversidad disponible. El uso de agentes mutagénicos químicos y físicos han permitido obtener más de 3.000 variedades de plantas de cosecha de más de 200 especies vegetales introduciendo caracteres de interés agronómico, como cambios en el tamaño o la forma de las plantas cosechadas o la introducción de tolerancia a estreses abióticos o resistencia al ataque de diversos agentes patógenos.

8. Las plantas transgénicas A partir de 1982, año en que se publica el primer trabajo de obtención de una planta transgénica, se abre la posibilidad de utilizar la ingeniería genética para obtener los cultivos transgénicos o biotecnológicos. Los cultivos transgénicos han demostrado ser instrumentos que permiten aumentar la productividad y que contribuyen a mitigar problemas ambientales asociados a la agricultura industrializada, como el uso de combustibles fósiles, la pérdida de suelo por erosión o la contaminación de suelos y aguas por el uso de productos fitosanitarios (Beltrán, J.P., 2018). Mientras que la mejora genética tradicional se basa en el cruce sexual entre parentales de especies compatibles dentro de la diversidad genética disponible, la ingeniería genética ha permitido eliminar la barrera del cruce sexual ya que permite incorporar genes responsables de los caracteres deseados -aislados de cualquier especie- a las plantas de cultivo de interés agronómico. Así, en las últimas dos décadas la superficie acumulada de cultivos transgénicos de primera generación ha sido superior a 1.500 millones de hectáreas, lo que es equivalente a una

9

www.bibliotecahorticultura.com

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

superficie treinta veces la de España. En el año 2018, el 80% de la producción mundial de soja, el 30% de la de maíz y de la de colza y el 70% de la de algodón fueron transgénicas, lo que da una idea de su impacto en el Sistema Alimentario.

9. La edición genómica En los últimos años se están desarrollando herramientas de mejora genética derivadas del uso de tecnologías de edición genómica como CRISPR/Cas. Estas tecnologías permiten aumentar, de forma precisa, la variabilidad de los caracteres de las plantas de cultivo asociada a la mejora vegetal utilizadas hasta la fecha, esto es, permite añadir a las estrategias de base física (uso de radiaciones) y química (uso de compuestos mutagénicos), estrategias biológicas de precisión, ya que, mediante la edición genómica, es posible cambiar específicamente un único gen o incluso varios sin alterar el resto del genoma. Por el contrario, las estrategias utilizadas con anterioridad, basadas en el uso de radiaciones o en agentes químicos mutagénicos, producen multitud de cambios genéticos al azar.

Desde 2014 se han publicado numerosos trabajos dando cuenta de cambios responsables de mejoras de caracteres concretos en numerosos cultivos utilizando técnicas de edición genética, como, por ejemplo, la introducción de resistencias frente a muchos estreses bióticos y abióticos. Las tecnologías derivadas de CRISPR/Cas para su uso en mejora vegetal están evolucionando con mucha rapidez y se han utilizado incluso para llevar a cabo procesos de domesticación de novo de especies como el tomate partiendo de la especie silvestre Solanum pimpinellifolium.

www.bibliotecahorticultura.com

10

Cultivo, Material Vegetal

10. El potencial real de la edición genómica A pesar de estos avances -impensables hace sólo unos años- se discute hoy el potencial real de estas tecnologías para aumentar, como podría ser el caso, los límites actuales del rendimiento máximo de una cosecha fijado por la eficacia relativa de procesos complejos como la fotosíntesis, pues, para ello, se requerirían intervenciones simultáneas sobre muchos genes localizados incluso en distintos compartimentos celulares. Sin embargo, podría haber caminos alternativos para aumentar la producción las cosechas mediante técnicas de edición genética dirigidas a disminuir las pérdidas producidas por estreses bióticos y abióticos.

Los mejoradores tienen puestas muchas esperanzas en la incorporación de las denominadas “New Plant Breeding Techniques” basadas en la edición genética. El contexto científico técnico es muy favorable, ya que nuestra capacidad de secuenciar los genomas de cualquier planta ha aumentado enormemente, mientras que el coste de las técnicas de secuenciación de nueva generación se ha reducido drásticamente.

También ha mejorado mucho nuestra capacidad de almacenar datos y de analizarlos (“data mining”) al tiempo que cada vez conocemos mejor el impacto de los genes que porta cada individuo con los alimentos que ingiere (Nutrigenética) y cómo los alimentos que ingerimos condicionan la expresión de nuestros genes (Nutrigenómica). Todo ello, en su conjunto, apunta a la posibilidad de llegar a una nutrición personalizada ligada a las variantes genéticas de las personas, de manera semejante a como la medicina apunta hacia una medicina personalizada.

11

www.bibliotecahorticultura.com

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

11. Tomates a la carta por edición genómica En nuestro laboratorio estudiamos el proceso de formación de los frutos de tomate. Realizamos observaciones que permitieron constatar que los órganos sexuales masculinos de la flor del tomate, las anteras en desarrollo, bloquean el desarrollo del ovario no polinizado. Entonces, diseñamos un abordaje biotecnológico para impedir el desarrollo temprano de los órganos sexuales masculinos del tomate. Pensamos que, eliminando las anteras, eliminaríamos también su papel represor y, por tanto, los ovarios podrían desarrollarse en ausencia de fertilización produciendo frutos sin semillas o partenocárpicos. La partenocarpia es un carácter muy útil en agronomía, ya que permite, en los tomates de uso industrial, eliminar las etapas de filtrado de semillas en purés o pastas que son necesarias para evitar el enranciamiento del producto causado por las semillas. En los tomates de consumo en fresco, la partenocarpia independiza la producción de frutos de condiciones ambientales adversas como la temperatura alta, que, con frecuencia, condiciona la productividad de las cosechas. La primera aproximación que utilizamos impidió el desarrollo de anteras produciendo plantas transgénicas de primera generación. Basándonos en estos resultados hemos dado un paso más, utilizando la tecnología CRISPR/Cas9, para demostrar que la inactivación específica de genes responsables de la formación del polen es suficiente para desencadenar el desarrollo de frutos sin semillas.

Hemos demostrado que la inserción de un único nucleótido en la secuencia del gen diana da lugar a plantas sin polen que producen frutos sin semillas (Figura 1) Esta tecnología nos habilita para obtener frutos partenocárpicos en cualquier variedad de tomate.

www.bibliotecahorticultura.com

12

Cultivo, Material Vegetal

Figura 1. Fenotipo de tomates partenocárpicos de la variedad Moneymaker editada comparado con el de la variedad silvestre

12. Los factores políticos y regulatorios Conviene recordar ahora la importancia de los factores políticos y regulatorios. Es sabida la dificultad actual impuesta en la Unión Europea para cultivar cosechas transgénicas de primera generación. Pues bien, de nuevo, respecto de las técnicas de edición genética, los órganos jurídicos responsables de las regulaciones europeas están dando el mismo tratamiento a las plantas editadas, que reproducen con precisión una mutación de interés producida al azar en la naturaleza, que a los cultivos transgénicos cuya regulación se adoptó en base a un principio de precaución hoy ya superado; regulación que lleva más de 20 años sin modificarse.

13

www.bibliotecahorticultura.com

Malthus, la producción de alimentos y la mejora genética

En conclusión, se están produciendo avances del conocimiento que permiten augurar un aumento de nuestras capacidades de producir alimentos. Sin embargo, como hemos señalado, estos avances no parecen ser suficientes para garantizar la Seguridad Alimentaria. Para ello, se tendrán que conjugar las tecnologías de producción de alimentos, los mercados, el acceso económico de los individuos, las prácticas políticas y regulatorias y nuestros anhelos gastronómicos.

Bibliografía Beltrán, J.P. (2018). Cultivos transgénicos. Madrid: Ed. CSIC-Los libros de la Catarata. 126 pp.

Torero, M. (2020). Whithout food there can be no exit from the pandemic. Nature, 580: 588 - 589

www.bibliotecahorticultura.com

14

Cultivo, Material Vegetal

ESPECIALISTES EN SERVEIS PER A LA PRODUCCIÓ EDITORIAL, SL Doctor Manuel Candela 26, 11ª 46021 VALENCIA – ESPAÑA Tel.: +34-649 48 56 77 / info@poscosecha.com NIF: B-43458744

www.poscosecha.com www.postharvest.biz www.bibliotecahorticultura.com www.tecnologiahorticola.com www.actualfruveg.com

15

www.bibliotecahorticultura.com