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Biotecnología de plantas
Rafael Salgado Garciglia, Rodolfo López Gómez, Mauro M. Martínez Pacheco y Abraham
García Chávez
Cuerpo Académico de Biotecnología de Plantas
Resumen
El Cuerpo Académico de Biotecnología de Plantas desarrolla diversas líneas de in-
vestigación relacionadas con la biotecnología vegetal moderna. El principal interés es
la propagación, conservación y mejoramiento genético de plantas, el uso de las técni-
cas de biología molecular para la certificación genética, para esclarecer la filogenia y
sistemática de plantas, para la identificación de genes relacionados con la defensa de
las plantas a patógenos (marcadores moleculares) y en la genómica funcional de ma-
duración de frutos, así como la búsqueda de metabolitos bioactivos. Actualmente se
realizan investigaciones relacionadas con la propagación y conservación in vitro de
especies de importancia agrícola, forestal, medicinal y en riesgo de extinción; el uso
de las técnicas de biología molecular para estudios filogenéticos, certificación de es-
pecies, mejoramiento genético y el aislamiento e identificación de genes relaciona-
dos con defensa y procesos fisiológicos; la obtención de extractos vegetales con
propiedades antimicrobianas e insecticidas, contra patógenos de plantas y humanos;
biotecnología de aguacate, la investigación central del grupo, con estudios de biolo-
gía molecular, resistencia a patógenos, micropropagación y conservación in vitro.
Abstract
The Academic Group of Plant Biotechnology develops diverse lines of investigation
related to the modern plant biotechnology. The main interest is the propagation, con-
servation and genetic improvement of plants, the use of the techniques of molecular
biology for the genetic certification, to clarify phylogeny and systematic of plants, for
the identification of genes related to the defense of the plants to pathogens (molecular
markers), in functional genomic on maturation of fruits, as well as the search of bioacti-
ve metabolites. Different research lines are related to the propagation and conserva-
tion in vitro of agricultural, forest, medicinal and in extinction-risk plants; the use of the
techniques of molecular biology for phylogenetic studies, certification of species, ge-
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netic improvement and the isolation and identification of genes related to defense and
physiological processes; the obtaining of plant extracts with antimicrobial and insecti-
cide properties, against plants and human pathogens; biotechnology of avocado, the
central research line of the group, with studies of molecular biology, resistance to pat-
hogens, micropropagation and in vitro conservation.
Introducción
La biotecnología vegetal ha tenido un mayor desarrollo en los últimos años y se pre-
senta como una alternativa de resolución de un gran número de problemas relacionados con
el mejor aprovechamiento de las plantas por parte del hombre; constituyendo una herra-
mienta invaluable para incrementar tanto la cantidad como la calidad de los alimentos de ori-
gen vegetal, así como para obtener nuevos productos con diversas aplicaciones a partir de
las plantas (Pierik, 1990). Con el cultivo de tejidos vegetales se han hecho aportaciones su-
mamente valiosas al conocimiento científico y tecnológico, y se ha convertido en una de las
técnicas más utilizadas de la biotecnología vegetal, ya que permiten la regeneración de
plantas, la conservación, la colección in vitro de germoplasma y la aplicación de técnicas en
conjunto para el mejoramiento (Drew, 1997). Las herramientas de la biología molecular,
como la de marcadores moleculares, la de construcción de bancos genómicos y la genómi-
ca funcional, son técnicas modernas que apoyan al esclarecimiento filogenético de las es-
pecies, a la genética de poblaciones, a la certificación de plantas de valor comercial y para el
aislamiento e identificación de genes expresados durantes las etapas de desarrollo y en la
defensa de las plantas o bien para la elucidación de genomas (Flavell, 1995).
Con el propósito de hacer uso de estas herramientas biotecnológicas, se han pro-
puesto cuatro líneas de generación y/o aplicación del conocimiento (LGAC): 1) Propaga-
ción, conservación y mejoramiento genético de plantas; 2) Marcadores moleculares; 3)
Genómica funcional de maduración de frutos; 4) Metabolitos vegetales biocidas. Principal-
mente se realizan proyectos de investigación y desarrollo biotecnológico orientados a la utili-
zación, mejoramiento y conservación de los recursos naturales renovables del país, así
como a la formación de recursos humanos especializados que puedan fortalecer los progra-
mas de investigación de la propia Institución o del país.
En el Laboratorio de Biotecnología Vegetal se desarrollan tres líneas en particular:
propagación, conservación y mejoramiento genético in vitro; búsqueda de metabolitos ve-
getales con actividad biocida; y estudios de filogenia, certificación molecular de especies co-
merciales, genética de poblaciones e identificación de genes de defensa.
En el laboratorio de Fisiología Molecular de Plantas también se han establecido tres
líneas de investigación: genómica funcional en procesos de desarrollo y maduración de fru-
tos tropicales; mejoramiento genético en frutales; producción de proteínas inmunógenas en
plantas y genómica de aguacate.
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En el laboratorio de Fisiología Celular, las líneas son: Estudio de la vía de síntesis de
folatos en aguacate y hongos; producción de enzimas extracelular de origen fúngico; y bús-
queda de principios activos biocidas en plantas medicinales.
CUADRO 1
Plantas micropropagadas y bajo conservación in vitro.
Nombre común Especie (Familia) Referencia
Limoncillo Euchile citrina (Orchidaceae) Becerril, 2003
Flor de corpus Laelia speciosa (Orchidaceae) Ortega, 2003
Aguacate Hass Persea americana Mill. Cv. Hass (Myrtaceae) Leal-Nares, 2003
Aguacate criollo
Persea americana Mill. Var. Drymifolia (Myrta-
ceae)
Ángel-Palomares, 2003
Helechos arbóreos Sphaeropteris sp. S. Myosuroides (Cyatheaceae) Aguilar-Coria, 2003
Geranios aromáticos Pelargonium spp. (Geraniaceae) Cárdenas, 2003
Phalaenopsis
Phalaenopsis amabilis Luchia Lady (Orchida-
ceae).
Malagón-Quintana, 2004
Flor de muertos Laelia autumnalis (Orchidaceae) Huapeo, 2004
Cempasúchil Tagetes erecta (Asteraceae) Tovar-Almanza, 2004
Tilia Tilia mexicana (Tiliaceae) Atrián-Mendoza, 2005
Algodón silvestre Cochlospermum vitifolium (Cochlospermaceae) Mendoza-Juárez, 2005
Paulonia
Paulownia fortunei P. Imperiales (Schrophularia-
ceae)
Morales, 2005
Ahuehuete Taxodium mucronatum (Taxodiaceae) Sántiz-Méndez, 2005
Papayo Carica papaya L. Cv. Maradol Carreto et al. 2006
Oreja de burro Oncidium cavendishianum (Orchidaceae) Luviano, 2006.
Pitayo de mayo Stenocereus quevedonis (Cactaceae) Villalobos-Jarquín et al. 2007
Propagación, conservación y mejoramiento genético de plantas
Dentro de las principales aplicaciones del cultivo de tejidos vegetales destacan la mi-
cropropagación (propagación clonal masiva), la conservación de germoplasma y el mejora-
miento genético (Dodds y Roberts, 1995).
Micropropagación.- La micropropagación se aplica a especies vegetales con el fin
de obtener su propagación masiva en el menor período de tiempo posible. Se le conoce
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como una biotecnología de “respuesta rápida”, puesto que se logran resultados en períodos
de 3 a 6 meses. Gran cantidad de plantas se propagan con éxito por este método, principal-
mente ornamentales, hortícolas, frutales, forestales y algunas en riesgo de extinción (Salga-
do-Garciglia et al. 1997).
Conservación in vitro.- Con la utilización de cultivos in vitro se ha logrado la conser-
vación de germoplasma vegetal, mediante sistemas de conservación a través del almace-
namiento en condiciones de crecimiento mínimo y la criopreservación. Con esta
herramienta biotecnológica esposible establecer cultivos in vitro de plantas completas, seg-
mentos de éstas (yemas, ápices, meristemos) y cultivos celulares, con los cuales se pueden
llevar a cabo programas de conservación de germoplasma en períodos a corto, mediano y
largo plazo (Bajaj, 1991). El almacenamiento se realiza bajo condiciones de cultivo que inhi-
ban o disminuyan el crecimiento, con la utilización de medios de cultivo mínimos e incuba-
ción en intensidades bajas de luz y temperatura (20, 10, 0, -20, -80, -196°C) (Villalobos,
1990). Esta técnica se ha desarrollado sólo para unas cuantas plantas, por lo que existe la
necesidad de realizar estudios de conservación in vitro para todas aquellas que requieren
sistemas alternativos de conservación (Villalobos y Engelmann, 1995).
Mejoramiento genético.- Con la biotecnología moderna, la manipulación genética
abarca desde el cultivo de protoplastos (células sin pared celular), células y tejidos in vitro
hasta la manipulación directa del ADN, que incluyen diferentes técnicas como el cultivo y fu-
sión de protoplastos, micropropagación, selección in vitro frente a agentes bióticos o abióti-
cos adversos e inserción de genes por transformación genética (Pérez-Ponce, 1998). Con
estos métodos se han conseguido plantas mejoradas con diferentes características como
resistencia a patógenos, a sequía, salinidad, aumento de valor nutrimental, mayor vida de
anaquel de flores o frutos, cambios de color de frutos y flores y producción de metabolitos.
Una de las aplicaciones más novedosas de la transformación genética es la de utilizar a las
plantas como biofábricas o biorreactores, al introducir genes deseados y regular la expre-
sión dentro de éstos, para la producción de fármacos, proteínas terapéuticas, pigmentos y
vacunas comestibles, etc. (Lindsey y Jones, 1989, Borojevic, 1990, Pérez-Ponce, 1998).
En los últimos cinco años, en los diferentes laboratorios se han establecido cultivos in
vitro de especies de interés ornamental, forestal, medicinal, hortícola y de plantas en riesgo
de extinción (Cuadro 1). En la figura 1 se muestran cultivos in vitro de la orquídea Oncidium
cavendishianum Batem., de la cactácea Stenocereus quevedonis ‘J.G. Ortega’ Bravo (pita-
yo de mayo) y de aguacate criollo mexicano (P. americana Mill. Var. drymifolia). Actualmente
se realizan investigaciones en colaboración con el Parque Nacional Barranca del Cupatitzio
para la propagación y conservación in vitro de orquídeas, así como para el cultivo de la or-
quídea Laelia speciosa para su aprovechamiento como fuente de mucílago para la elabora-
ción de figuras de pasta de caña de maíz, con artesanos de la Casa de los Once Patios de
Pátzcuaro, Michoacán. También se mantienen bajo conservación in vitro 15 especies de or-
quídeas, cinco especies de helechos arbóreos, cinco medicinales, tres cactáceas y una fo-
restal, todas ellas en alguna categoría de riesgo de extinción (Ochoa-Ambriz, 2005;
Ávila-Díaz y Salgado-Garciglia, 2006; Valdez-Partida, 2007). En cuanto al mejoramiento ge-
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nético, se han establecido sistemas de transformación genética en aguacate, alfalfa, papa-
yo, pitayo y en la orquídea Phalaenopsis amabilis, con el objetivo de obtener plantas
transgénicas resistentes a fitopatógenos (Zavala-Corona, 2003; Suárez-Rodríguez, 2006;
Herrera-Rodríguez, 2007; Malagón-Quintana et al., 2007). Particularmente en tabaco, se
han obtenido plantas transgénicas con el gen de la proteína HSP65 de Mycobacterium le-
prae, logrando la expresión del gen (Fierro-Aguilar et al., 2006; Rodríguez-Narciso et al.,
2006).
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Figura 1. Cultivos in vitro de algunas especies micropropagadas: A, plántula de Phalaenopsis amabilis Luchia Lady (Orchida-
ceae); B, brotes de Stenocereus quevedonis ‘J.G. Ortega’ Bravo (pitayo de mayo); C, plántula de Taxodium mucronatum Ten.
(ahuehuete).
Marcadores moleculares en plantas
Dentro de las técnicas de biología molecular más usadas para caracterizar y evaluar
la diversidad genética existente en los bancos de germoplasma de plantas, se encuentra la
amplificación aleatoria de ADN polimórfico (RAPD), marcadores basados en la hibridación
del ADN en plantas con los polimorfismos en la longitud de fragmentos de restricción de
ADN (RFLP), amplificación selectiva de fragmentos de restricción (AFLPs), microsatélites
(SSR) y marcadores moleculares estrechamente relacionados con genes de resistencia a
enfermedades, conocidos como RGAPs (Resistance Gene Analog Polymorphism), con los
cuales se ha logrado identificar genes de resistencia a enfermedades ocasionadas por hon-
gos (Collins et al., 2001; Chen, 2002). Otra de las aplicaciones del uso de marcadores mole-
culares es la certificación genética que permite, además, esclarecer la filogenia y
sistemática del grupo de plantas de interés comercial y de aquellas que presentan dificulta-
des en la clasificación taxonómica tradicional.
Con estas técnicas, se han realizado estudios con la finalidad de detectar la variabili-
dad genética en helechos arborescentes, un grupo de plantas con problemas de ubicación
taxonómica, para esclarecer su filogenia. El estudio se ha hecho con el uso de los genes ri-
bosomales y sus regiones espaciadoras asociadas, ITS1-5.8s-ITS2 (Región ITS), detectan-
do fragmentos de ADN polimórficos que permitieron establecer relaciones de parentesco
entre las diferentes especies de los helechos, ubicando a los taxones Cyathea mexicana y
Sphaeropteris myosuroides como cercanos genéticamente dentro de la familia Cyathea-
ceae (Valdez-Partida, 2007). Secuencias de ITS obtenidas de los helechos arborescentes
se han reportado en el Centro Nacional para la Información Biotecnológica (NCBI):
EU090937, Alsophila firma; EU090939, Cyathea myosuroides; EU090940, Dicksonia sello-
wiana y EU090941, Lophosoria quadripinnata. Para la certificación de plantas de interés co-
mercial, se estudian con la misma técnica, genotipos de aguacate criollo mexicano y plantas
medicinales de la región.
Genómica funcional de maduración de frutos
El desarrollo y la maduración del fruto son procesos únicos en las plantas y represen-
tan un componente importante en la dieta humana y animal (Giovannoni, 2004). En las plan-
tas superiores, los procesos biológicos tales como la maduración del fruto y la senescencia
están regulados por una compleja expresión diferencial de genes. Para entender estos pro-
cesos es indispensable identificar, clonar y caracterizar los genes involucrados. El entendi-
miento de cómo los genes coordinan el crecimiento y desarrollo de los organismos vivos es
de gran importancia en muchas áreas de la ciencia y la tecnología. En la última década, los
proyectos de secuenciación e identificación de genes de organismos en general, han gene-
rado miles de secuencias génicas. Es así como la información genética ha revolucionado a
la genética generando una nueva área en las ciencia biológicas llamada genómica (Koncz,
2003). El conocimiento básico de cómo funciona un organismo provee una información in-
valuable para el desarrollo biotecnológico. Como complemento al conocimiento de los geno-
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mas de plantas han surgido los proyectos de ESTs (Expressed Sequence Tags) los cuales
consisten básicamente en secuenciar un gran número de cADNs obtenidos de bancos de
cADNs generados de diferentes estructuras y estadios de desarrollo de plantas. Esta técni-
ca explota los avances recientes en la tecnología de secuenciación automatizada y de ma-
nejo del ADN. Los análisis comparativos de las bases de datos de los ESTs facilitan también
la detección de secuencias conservadas entre diferentes organismos, lo que permite cono-
cer secuencias esenciales para los seres vivos (Olmedo et al., 2005).
Con estas técnicas, se han generados bancos de ESTs de plántulas de papayo (Cari-
ca papaya L. Cv. Maradol) y de frutos de aguacate criollo mexicano(Persea americana Mill.
Var. drymifolia), con la finalidad de obtener las secuencias de los genes que participan en el
desarrollo de la planta y durante el desarrollo de frutos, respectivamente (Torres-Cárdenas,
2006).
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Figura 2. Efecto inhibitorio del extracto etanólico de la planta Artemisia ludoviciana Nutt. (Estafiate) sobre el crecimiento del
oomiceto Phytophthora capsici: A, tratamiento control (50 �L etanol absoluto); B, tratamiento control positivo (100 mg/L de
mefenoxam, antioomiceto comercial); C, 50 �L extracto etanólico (ensayo por difusión en placa); D, 50 �L extracto etanólico
(ensayo de disco impregnado).
CUADRO 2
Plantas con actividad biocida y sus respectivos metabolitos activos.
Especie (Nombre
común, Familia)
Actividad: Organismos blanco
Metabolito(s)
activo(s)
Referencia
Melia azaderacht (Pa-
raíso, Meliaceae)
Insecticida:
Culex stigmastosoma
Azadiractina
Sánchez-Díaz et al.
2003
Pelargonium spp (Ge-
ranios aromáticos, Ge-
raniaceae)
Insecticida:
Culex stigmastosoma
Limoneno
Geraniol
Barrera-Ponce et al.
2003
Heliopsis longipes
(Chilcuague, Astera-
ceae)
Fungicida:
Candida albicans
Mucor circinelloides
Sporotrix schenckii
Afinina
Decatrienato de bornilo
Morales-López, 2003
Lippia berlandieri (Oré-
gano, Labiatae)
Bactericida:
Escherichia coli
Salmonella sp.
Shigella flexneri
Staphylococcus aureus
Timol
Carvacrol
Serrato et al. 2005
Satureja macrostema
(Nurite, Labiatae)
Fungicida:
Fusarium oxysporum
Phytophthora capsici
Pulegona
García-Chávez et al.
2006
Tagetes lucida (Santa
María, Asteraceae)
Bactericida:
Vibrio cholera
Escherichia coli
Proteus mirabilis
Fungicida:
Trichophyton mentagrophytes
Rhizoctonia solani
Cumarina
Umbeliferona
Escopoletina
Escoparona
Céspedes et al. 2006
Artemisia ludoviciana
(Estafiate, Asteraceae)
Fungicida:
Candida albicans
Collethotrichum gloesporiodes
Phytophthora spp
Borneol
Verbenol
Terpineol
Damián-Badillo, 2007
Ageratum corymbosum
(Servilletilla, Astera-
ceae)
Fungicida:
Sporotrix schenckii
�-Pineno
�-Mirceno
2-Careno
Eugenol
Álvarez-Rodríguez et
al. 2007
Metabolitos con actividad biocida
Sin lugar a dudas, las plantas son una fuente importante de productos químicos, co-
nocidos como metabolitos secundarios. Al respecto, la biotecnología ofrece como una alter-
nativa el empleo de compuestos de origen vegetal, como agentes potenciales en el combate
Biotecnología de Plantas
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y control de enfermedades que afectan los cultivos de valor agronómico (Covián y Salga-
do-Garciglia, 1999). Con este fin, se han realizado investigaciones para la búsqueda de me-
tabolitos con acción biocida; a la fecha se han estudiado más de 20 especies vegetales,
principalmente de la familia Asteraceae, y algunas de éstas presentan actividad insecticida,
bactericida o fungicida, de las cuales se han identificado los compuestos activos (Cuadro 2).
Recientemente se ha determinado el efecto del aceite esencial de estafiate (Artemisia ludo-
viciana Nutt.) sobre cinco especies de Phytophthora (P. cactorum, P. capsici, P. cinnamomi,
P. infestans y P. mirabilis), encontrando un 100% de inhibición sobre el crecimiento del mice-
lio en ensayos in vitro. Los metabolitos responsables de dicho efecto son borneol, verbenol y
terpineol, los cuales actúan en mezcla y no por sí solos (Damián-Badillo, 2007). En la figura
2, se muestra el efecto de este extracto sobre el crecimiento de P. capsici a los 8 días de cul-
tivo, al inocular segmento de micelio de 0.2 cm2 en el medio de papa-dextrosa-agar a 25�C.
El crecimiento de P. capsici no fue afectado por la adición de etanol absoluto, alcanzando su
máximo crecimiento a los 8 días del cultivo (Figura 2A). Un 100% de inhibición fue observa-
do en los dos tipos de ensayos probados con el extracto etanólico de A. ludoviciana (Figuras
2C y 2D), efecto similar al ejercido por el antioomiceto comercial (Figura 2B).
Biotecnología del aguacate
El aguacate (Persea americana Mill.) es en la actualidad uno de los cultivos más im-
portantes en México, no sólo por la gran cantidad de toneladas producidas que lo ubica
como el productor más importante a nivel mundial, sino también porque es un cultivo que ge-
nera miles de empleos directos e indirectos, y permite una alta entrada de divisas por la ex-
portación de su fruto (Salazar y Lazcano, 2001). Apesar de su importancia económica, poco
se sabe de su genética y es significativo que la mayoría de los problemas de producción más
importantes tienen una base genética. Aunque el aguacate es un árbol de gran talla, su ge-
noma es pequeño, aproximadamente 907 Mpb (millones de pares de bases), sólo seis ve-
ces mayor comparado con el genoma de la planta modelo Arabidopsis thaliana y 2.5 veces
el de papayo (Carica papaya L.) (Cui et al., 2007). Dentro de la problemática más importante
de este frutal, están la falta de protocolos óptimos para su propagación clonal, lo cual está re-
lacionado con la baja eficiencia para obtener plantas transgénicas, las cuales pudieran pre-
sentar resistencia a patógenos, principalmente a hongos y al oomiceto Phytophthora
cinnamomi, una necesidad urgente y necesaria. Asimismo, se desconoce la fisiología del
fruto de aguacate, lo cual origina un mal manejo de poscosecha, causando considerables
pérdidas económicas (Sánchez-Pérez, 2001).
La biotecnología de aguacate es la parte central de las investigaciones del Cuerpo
Académico Biotecnología de Plantas, en la cual confluyen las diferentes LGAC que se desa-
rrollan, con la participación de todos los investigadores que lo integran.
Biotecnología de Plantas
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Perspectivas
Actualmente se está generando el banco de germoplasma in vitro de genotipos de
aguacate criollo mexicano (P. americana Var. drymifolia), la selección y caracterización quí-
mica y molecular de genotipos resistentes a P. cinnamomi, para finalmente realizar pruebas
de resistencia al patógeno, en invernadero y campo. También se ha iniciado el estudio de la
vía de síntesis de folatos en aguacate y hongos, con fines de analizar sus propiedades en la
salud humana, ya que su carencia ocasiona anemia, otros trastornos hematológicos y defi-
ciencias a nivel de síntesis y reparación de ADN. Bajo este nombre se agrupan un gran nú-
mero de compuestos similares al ácido fólico, como son los folatos, la folacina y el
pteroilmonoglutamato (Suárez de Ronderos, 2003). Mediante el uso de marcadores mole-
culares (ITSs) se están desarrollando trabajos para determinar diversidad genética y paren-
tesco entre materiales de aguacate criollo mexicano. Asimismo, se está realizando una
colaboración con el LANGEBIO (Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad)
para participar en el desarrollo del proyecto del genoma de aguacate el cual consistirá en
realizar la secuenciación del genoma completo de esta importante planta.
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