por
Alvin Yanchuk16
La biotecnología forestal ha presenciado muchas nuevas invenciones y técnicas durante la última década y es probable que continúe a un ritmo aún más rápido en el futuro. Como tal, puede ser difícil conocer qué cabe esperar de la biotecnología, sin embargo es importante que continuemos evaluando los principios básicos de la ordenación genética forestal que deben considerarse, independientemente de las opciones que las tecnologías ofrezcan a los gestores forestales.
Aunque el debate de la biotecnología en la agricultura continuará siendo muy instructivo para el sector forestal, varias cuestiones en el campo forestal son diferentes y requerirán una atención especial. Este artículo de forma breve, 1) resume la biotecnología actualmente utilizada y que se está desarrollando en el sector forestal, y 2) explora algunos de los problemas y controversias relacionados con su uso.
La biotecnología puede describirse como "cualquier aplicación tecnológica que utiliza sistemas biológicos, organismos vivos o derivados de ellos, para elaborar o modificar productos o procesos para un uso específico" (CDB, 2000). Esto puede abarcar una extensa variedad de técnicas, pero las tres áreas principales del sector forestal que serán probablemente importantes son: 1) el uso de métodos de propagación vegetativa, 2) el uso de marcadores genéticos moleculares, y 3) la producción de árboles genéticamente modificados (árboles GM).
La propagación vegetativa comprende una amplia variedad de técnicas que incluyen la manipulación de los tejidos vegetales (p.ej secciones de tallos, hojas, raíces, semillas o incluso cultivos celulares), lo que en definitiva permite una "repropagación" vegetativa completa de toda la planta, es decir, la producción de "variedades" clonales o líneas.
Las formas más sencillas de propagación vegetativa son las diversas técnicas de injertado y enraizado de trozos de tronco o trozos del tallo o "estaquillas". Algunas especies pueden enraizar o injertarse fácilmente en el patrón, mientras que otras especies pueden requerir "tratamientos" más elaborados a fin de que se enraícen o propaguen con éxito. En el sector forestal, la mayoría de los métodos de clonación a escala comercial dependen de estaquillas enraizadas para fines de reforestación, aunque las técnicas de clonación avanzada (véase más adelante) son también un prerrequisito básico para la producción de árboles genéticamente modificados (GM). Las "biotecnologías" específicas relacionadas con la propagación vegetativa en el campo forestal se distribuyen en las tres categorías principales de la micropropagación, la criopreservación y almacenamiento in vitro, y la selección in vitro.
Micropropagación. La micropropagación es el desarrollo de líneas clonales a partir de pequeñas muestras de tejidos como yemas, raíces o embriones extraídos de las semillas. La última, que se denomina embriogénesis somática (ES), será probablemente la tecnología de micropropagación más prometedora para el almacenamiento a largo plazo y para la producción en gran escala de árboles a partir de líneas clonales seleccionadas, particularmente para especies coníferas. La ES puede ser especialmente útil una vez que se ha determinado el valor genético de los clones mediante ensayos de campo. Sin embargo, los costos de desarrollo de estas tecnologías avanzadas de cultivos de tejidos son elevados en comparación con tecnologías más sencillas.
Criopreservación y almacenamiento in vitro. Con esta técnica, pequeñas muestras de tejidos se mantienen a temperaturas muy frías para conservar su condición fisiológica actual. Por ello, la evaluación de genotipos para la producción eficiente de material vegetal posteriormente suele ser uno de los principales objetivos de la criopreservación (p.ej. en almacenamiento ES). Aunque la tecnología es útil y necesaria para muchas aplicaciones en la selvicultura clonal, puede tener también aplicaciones en programas para especies con semillas recalcitrantes, en los que el almacenamiento de las semillas constituye un importante problema (Englemann, 1997).
Selección in vitro. Esta técnica incluye la selección para un determinado carácter o rasgo (p.ej. la tolerancia a un metal pesado o a la sal) en una etapa preliminar en la fase de micropropagación. Aunque la selección in vitro se ha utilizado en cierta medida en las plantas de cultivo, los intentos en los árboles forestales se han limitado a la selección de caracteres GM expresados en árboles (p.ej. las técnicas de selección in vitro son un requisito básico en el proceso de clasificación de líneas clonales transformadas GM con éxito). Por tanto, se pueden combinar otros caracteres con los criterios básicos de selección in vitro requeridos para la clasificación GM (p.ej tolerancia al mercurio en el álamo amarillo [Rugh et al., 1998]), que podrían utilizarse para identificar líneas clonales útiles para fines fito-curativos (Guller et al. 2001).
Los marcadores genéticos son esencialmente secuencias de ADN que son indicativas de un ancestro común. El desafío para el genetista es buscar las relaciones entre estos marcadores y las características de árboles a partir de pedigríes o poblaciones específicas. Con interpretaciones correctas, los marcadores genéticos son invalorables para examinar los modelos de variación genética entre y dentro de las poblaciones, evaluar los niveles de cruzamiento externo y endogamia y la identificación genética o "fingerprinting" (huellas dactilares) de variedades o pedigríes.
Los datos de los marcadores genéticos se pueden utilizar también para ayudar a la selección inicial de los mejores genotipos, en lugar de esperar a que el árbol exprese su carácter mucho más tarde. Sin embargo, la selección asistida con marcadores (SAM) todavía se aplica de forma rutinaria en los programas de mejora genética de árboles, en gran parte debido a los inconvenientes económicos (es decir, las ganancias genéticas adicionales no son generalmente suficientemente grandes para compensar los costos de aplicación de la tecnología). Así, es probable que la SAM sólo se aplique a un puñado de especies y situaciones, p.ej. algunos de los principales pinos utilizados comercialmente (p.ej. Frewen et al., 2000) y especies de Eucalyptus. Los marcadores moleculares son en primer lugar, por lo tanto, una herramienta de información y se usan para localizar ADN/genes que puedan ser de interés para la transformación genética, o información sobre la estructura de las poblaciones, sistemas de apareamiento y confirmación del pedigrí.
La modificación genética de las plantas suele incluir la introducción artificial de genes bien caracterizados procedentes de otras especies en un nuevo genoma vegetal, que se expresará después como un carácter novedoso. La "Biolística" (es decir explosión controlada del ADN dentro del núcleo de la célula) o los vectores de microorganismo (p.ej. Agrobacterium) que llevan el gen específico de interés son utilizados normalmente para introducir el gen o los genes. Naturalmente, la expresión a largo plazo o adecuada del gen en la planta GM es crítica.
Para ser de valor económico, los árboles GM tienen que ofrecer características únicas que no pueden ser económicamente proporcionadas mediante programas convencionales de mejora genética y que son capaces de compensar los costos en el desarrollo de la tecnología. Los caracteres que han sido hasta ahora considerados para modificación genética potencial de los árboles forestales son la resistencia a los herbicidas, la reducción de la floración o esterilidad, la resistencia a los insectos y la química de la madera. Aunque los programas de mejora genética convencional de árboles han podio introducir cambios en la resistencia a los insectos y en la calidad de la madera, tienen posibilidades limitadas de incorporar caracteres tales como la resistencia a los herbicidas, cambios específicos en la química de la madera o reducción de la floración. Con las tecnologías GM, es probable que estas posibilidades lleguen a estar a nuestro alcance.
La mayoría de los problemas de las plantas genéticamente modificadas, proviene de la preocupación por el cultivo de estos productos como alimentos. Aunque esto raramente será un problema directo en el campo forestal, será aún necesaria una evaluación cuidadosa de todos los aspectos del uso de los árboles, porque éstos pueden tener muchas finalidades.
Es difícil decir que una técnica determinada puede plantear en sí misma un incremento del riesgo biológico. Son los productos genéticos los que plantean un riesgo, independientemente de la tecnología empleada para obtenerlos. Para evaluar plenamente los posibles riesgos, es necesario un conocimiento a fondo de la transformación genética particular, p.ej. cuáles son los productos proteínicos producidos por la transformación en la planta y sus posibles interacciones con otros genes. Esto puede ser especialmente cierto cuando se incorporan más de uno o dos transgenes. En tales casos, pueden ser necesarios ensayos de campo más prolongados, más evaluaciones ambientales y prudencia en su utilización (Burdon, 1999). No obstante, estos problemas no pueden considerarse como únicos de los árboles GM per se, ya que son consideraciones que los mejoradores de árboles tienen que tener en cuenta incluso para árboles mejorados convencionalmente.
Resistencia a los herbicidas. La resistencia a los herbicidas en los álamos es probablemente la tecnología GM mejor desarrollada en los árboles forestales. La primera preocupación con las plantas GM resistentes a los herbicidas es la evidencia del desarrollo de la resistencia en las malas hierbas. El riesgo puede ser considerablemente menor en el sector forestal que en la agricultura, ya que los herbicidas sólo se aplican durante un corto período de tiempo y con menos aplicaciones, pues el control total de las malas hierbas no es necesario en las plantaciones de árboles forestales. La introducción de resistencia a los herbicidas con la tecnología GM puede ser una de las modificaciones genéticas más viables y aplicadas en los árboles; sin embargo, sólo es probable para unas pocas especies bien desarrolladas en ciertas situaciones, como en plantaciones intensivas de álamo para fibra.
La segunda cuestión se refiere naturalmente a los efectos en poblaciones silvestres de árboles adyacentes o locales si se produce un cruzamiento (p.ej. en áreas importantes de conservación in situ). Si la aceptabilidad de este riesgo es demasiado grande, puede ser necesario incorporar en las líneas de árboles GM la floración reducida o transgenes de esterilidad (véase más adelante).
Floración reducida o esterilidad. La floración reducida en los árboles forestales puede ser deseable para reorientar los productos de la fotosíntesis hacia la producción de madera, en lugar de hacia los tejidos reproductivos. Sin embargo, como nuestro conocimiento sobre la reasignación de estos recursos internos en un árbol no está bien cuantificado en este momento, la principal justificación para una floración reducida o el desarrollo de esterilidad es reducir considerablemente el flujo de genes a las poblaciones silvestres adyacentes de la misma especie. Aunque se encuentran en marcha investigaciones importantes sobre los mecanismos de floración (p.ej. Strauss y Bradshaw, 2001), la estabilidad de la expresión esterilidad-gen con el tiempo tendrá que ser confirmada en ensayos de campo que reflejen las duraciones de turno esperadas.
Resistencia a los insectos. El desarrollo de GM resistentes a los insectos es actualmente corriente, pero plantea también algunas de las cuestiones ecológicas más complejas. En primer lugar, está la posible toxicidad de los compuestos producidos en las plantas GM resistentes a los insectos cuando se cultivan específicamente para el consumo humano, o en el sector forestal o para animales que no son objetivos. En segundo lugar, existen problemas ecológicos de cruzamiento con parientes silvestres, así como de la evolución de la resistencia en las poblaciones de insectos. Además, el largo período de generación de la mayoría de las especies arbóreas permite a muchas generaciones de poblaciones de insectos enfrentarse a un nuevo mecanismo de resistencia de un solo gen.
El método GM más desarrollado para la resistencia a insectos, tanto en el sector forestal como en la agricultura, ha sido el uso de genes de un patógeno natural del insecto, el Bacillus thuringiensis (Bt). Los álamos están de nuevo entre las especies arbóreas donde la tecnología está más avanzada (p.ej. TGERC, 1999; Yifan y Jainjun, 2001). La investigación y el desarrollo de otros compuestos están en marcha para reducir la dependencia de un grupo relativamente limitado de toxinas naturales Bt (ffrench-Constant y Bowen, 1999). Debido a las complejas ramificaciones ecológicas y a los problemas públicos que rodean a las plantas GM resistentes a los insectos, se necesitarán unos altos niveles de laboratorios científicamente competentes y de ensayos de campo.
Química de las propiedades de la madera. Genes importantes en el camino del desarrollo de la lignina en la madera han sido modificados para producir una composición especial de la madera en árboles muy jóvenes (p.ej. Lapierre et al. 1999: Akim et al. 2001), con la finalidad de conseguir una producción de pulpa más fácil y ambientalmente más favorable. Dos preguntas importantes que quedan en el desarrollo de variedades o clones modificados en cuanto a la lignina son, "¿qué valor extra existiría en plantaciones que utilicen tales árboles?" y "¿presentaría la madera alterada presentaría susceptibilidades a las tensiones ambientales?" Una vez más, se necesitarán períodos considerables de ensayos de campo para responder a estas preguntas.
La primera preocupación ecológica con las plantas GM parece proceder de los problemas potenciales que surgen del intercambio de genes con las poblaciones silvestres. Sin embargo, en muchas situaciones en las que se considerarán los árboles GM, se tratará de especies de plantaciones exóticas de modo que esto no sería un factor. Si no es así, la floración reducida o esterilidad es probable que sea un requisito básico, así como la puesta en práctica de más restricciones en la utilización. En el sector forestal están en marcha algunas investigaciones para tratar estas cuestiones específicas (p.ej. DiFazio, et al., 1999).
Las regulaciones actuales del Consejo de Gestión Forestal (1999) prohíben el uso de árboles genéticamente modificados, pero también afirman que "el uso de una especie exótica debe ser cuidadosamente controlado y seguido activamente para evitar impactos ecológicos adversos". Sin embargo, la idea de que los árboles GM pueden ser funcionalmente análogos a algunas especies exóticas invasoras no parece ser muy probable (Strauss y Bradshaw, 2001). Por otra parte, tampoco es apropiado un gran cambio genético realizado en la capacidad total de una especie nativa, incluso mediante la adición de un solo gen, y liberado sin una consideración adecuada de los riesgos ambientales locales. Evidentemente, los riesgos potenciales deben ser contrapesados con los beneficios en todos los tipos de árboles forestales mejorados, considerando los proyectos que se utilizarán en el espacio y en el tiempo. En cualquier caso, deben diseñarse estrategias de utilización para reducir al mínimo los riesgos de pérdidas económicas de la masa, así como las futuras pérdidas biológicas, tales como el desarrollo de resistencia en poblaciones a plagas y enfermedades (p.ej. Roberds y Bishir, 1997).
Para ayudar a tratar muchos de estos tipos de problemas, varios países han desarrollado regulaciones y restricciones que especifican los requerimientos de los ensayos de campo reducidos necesarios antes de poner a la venta comercial las plantas GM (OCDE, 2000). Estos requisitos, necesarios para reducir los riesgos biológicos y económicos, continuarán sin duda evolucionando al igual que las leyes y reglamentos nacionales y otros acuerdos internacionales más amplios sobre la bioseguridad, p.ej. el Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad (CDB, 2000). Están surgiendo también nuevas instituciones para ayudar con investigación crítica a las aplicaciones y la política sobre el uso de los árboles GM (Burke, 2001).
Los inversores privados han tomado la iniciativa en la mayoría de las inversiones en moderna biotecnología, y al hacerlo así, han tenido también que asumir los riesgos económicos asociados. En muchas situaciones, estos riesgos de inversión están protegidos por patentes, y los acuerdos para el uso de las técnicas o el material podrían ser entonces prohibitivamente costosos.
Con el fin de solucionar algunos de estos problemas, el papel de los gobiernos puede tener que ampliarse a la investigación y desarrollo para proporcionar un flujo de material y de información que pueda utilizarse y compartirse tanto por las instituciones privadas como públicas (Santos y Lewontin, 1997). La asignación de fondos, ya sea a través de organismos privados o públicos, necesita lograr un equilibrio entre crear capacidades y conocimientos científicos y sostener tecnologías forestales más aplicadas y bien comprobadas (Burdon, 1994). A este respecto, la inversión y el uso de cualquier biotecnología necesita ser evaluada basándose en cada uno de los casos.
Aunque la rápida generación de rotación en los cultivos ha permitido que la tecnología de modificación genética se desarrolle rápidamente, las ramificaciones ecológicas en el sector forestal serán probablemente mucho más difíciles de evaluar. Debido al período relativamente largo que requiere un árbol para alcanzar una dimensión utilizable, es probable que encuentren más tensiones ambientales (p.ej. clima variable, plagas), que podrían desencadenar respuestas genéticas impredecibles. Serán necesarios largos períodos de ensayo para una evaluación apropiada tanto en laboratorio como en las condiciones de campo. La aceptación pública y gubernamental de las plantas GM es actualmente tan dependiente de la evaluación del riesgo biológico y de la gestión del problema de los riesgos (Leiss, 1999) como lo es de cualquier problema técnico o económico.
Los siguientes son algunos puntos resumen y conclusiones que pueden extraerse de la discusión anterior:
Akim, L.G., Argyropoulos, D.S., Jouanin, L., Leple, J.C., Pilate, G., Pollet, B. & Lapierre, C. 2001. Quantitative P-31 NMR spectroscopy of lignins from transgenic poplars. Holzforschung. 55:386-390.
Burdon, R.D. 1994. The role of biotechnology in forest tree breeding. Forest Genetic Resources, 22: 2-5. FAO, Rome.
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Burke, S.W. 2001. Responding to new trees and to the issues at hand: The institute of forest biotechnology. In: Proc. of the First Symposium on Ecological and Societal Aspects of Transgenic Plantations. S.H. Strauss and H.D. Bradshaw, eds. College of Forestry, Oregon State University. pp. 62-69.
[ www.fsl.orst.edu/tgerc/iufro2001/eprocd.pdf]
CBD 2000. Cartagena Protocol on Biosafety. Convention on Biological Diversity. Available on the Internet at http://www.biodiv.org/biosafe/Protocol/Protocol.html
Englemann, F. 1997. In vitro conservation methods. In J.A. Callow, B.V. Ford-Lloyd & H.J. Newbury, eds. Biotechnology and plant genetic resources: conservation and use, p. 119-161. Biotechnology in Agriculture Series No. 19. Wallingford, UK, CAB International.
DiFazio, S.P., Leonardi, S., Cheng, S. & Strauss, S.H. 1999. Assessing potential risks of transgene escape from fiber plantations. In: Proc. of Gene Flow and Agriculture: Relevance for Transgenic Crops, 72: 171-176.
ffrench-Constant, R. & Bowen, D. 1999. Photorhabus toxins: novel biological insecticides. Current Opinion in Microbiology, 2: 284-288.
Forest Stewardship Council (FSC). 1999. Principles and criteria for forest stewardship. Internet document (http://www.fsc-uk.demon.co.uk/PrinciplesCriteria.html )
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Guller, G., Komives, T. & Rennenberg, H. 2001. Enhanced tolerance of transgenic poplar plants overexpressing gamma-glutamylcysteine synthetase towards chloroacetanilide herbicides. Journal of Experimental Botany.
Lapierre, C., Pollet, B., Petit-Conil, M., Toval, G., Romero, J., Pilate, G., Leple, J.C., Boerjan, W., Ferret, V., De Nadai, V. & Jouanin, L. 1999. Structural alterations of lignins in transgenic poplars with depressed cinnamyl alcohol dehydrogenase or caffeic acid O-methyltransferase activity have an opposite impact on the efficiency of industrial kraft pulping. Plant Physiology, 119: 153-162.
Leiss, W. 1999. The trouble with science: public controversy over genetically-modified foods. Presented at the Eastern Regional Meetings of the Canadian Society of Plant Physiologists, Kingston, Ontario, Canada, 12 December 1999.
Available on the Internet at: http://www.ucalgary.ca/~wleiss/news/trouble_with_science.htm
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Roberds, J.H. & Bishir, J. 1997. Risk analysis in clonal forestry. Canadian Journal of Forest Research, 27: 425-432.
Rugh, C.L., Senecoff, J.F., Meagher, R.B. & Merkle, S.A. 1998. Development of transgenic yellow poplar for mercury phytoremediation. Nature Biotechnology, 10: 925-928.
Santos, M. de Miranda & Lewontin, R.C. 1997. Genetics, plant breeding and patents: conceptual contractictions and practical problems in protecting biological innovations. IPGRI Plant Genetic Resources Newsletter, 112: 1-8.
Strauss, S.H. & H.D. Bradshaw. 2001. Tree biotechnology in the new millennium: International symposium on ecological and societal aspect of transgenic plantations. Oregon State University. (http://www.fsl.orst.edu/tgerc/iufro2001/eprocd.htm)
Tree Genetic Engineering Research Cooperative (TGERC). 1999. TGERC highlights of 1998-1999. Internet document (http://www.fsl.orst.edu/tgerc/1998-99.htm)
Yifan, H. & Jianjun, H. 2001. Field evaluation of insect-resistant transgenic Populus nigra trees. In: Proc. of the First Symposium on Ecological and Societal Aspects of Transgenic Plantations. S.H. Strauss & H.D. Bradshaw, eds. College of Forestry, Oregon State University. (http://www.fsl.orst.edu/tgerc/iufro2001/abstract.htm )
14 Recibido en marzo de 2002. Idioma
original: inglés.
15 Este artículo es el resumen actualizado de un documento publicado en
UNASYLVA No. 204(52):52-61, cuando el autor se encontraba en la FAO como Experto
Visitante del Programa de Instituciones Académicas y de Investigación.
16 Rama de Investigación, Servicio
Forestal de la Columbia Británica, 712 Yates St. 3rd floor, Victoria, Canadá. V8W 9C2.
