El fitomejoramiento por inducción de mutaciones es un método en el que se aceleran mutaciones genéticas que de otro modo podrían haber ocurrido mucho más lentamente en las plantas.
¿Qué es el fitomejoramiento por inducción de mutaciones?
Ciencia nuclear en detalle
El fitomejoramiento por inducción de mutaciones es un método en el que se aceleran mutaciones genéticas que de otro modo podrían haber ocurrido mucho más lentamente en las plantas.
Fitomejoramiento: Ventajas de irradiar las plantas
El uso de la radiación presenta múltiples ventajas comparativas: es eficaz en relación con los costos, rápida y sólida; además, su eficacia está comprobada, se puede replicar en cualquier lugar, no es peligrosa y no daña el medio ambiente. La irradiación aumenta la tasa de mutación natural de 1000 a 1 millón de veces. Con este método, que se ha venido utilizando durante décadas, se obtuvo, por ejemplo, una variedad de algodón con mayor rendimiento agronómico y una fibra de mejor calidad en tan solo cinco años.
Las variedades de plantas producto de técnicas que emplean la irradiación son tan seguras como las variedades obtenidas con otros métodos de fitomejoramiento. Estas plantas pueden cultivarse sin ningún efecto nocivo; en particular, no son radiactivas.
Gracias al cultivo y el uso generalizado de estas nuevas variedades de plantas, se ha fortalecido la producción mundial de alimentos y se han atendido las necesidades de los agricultores, en especial en los países en desarrollo y las regiones que están más expuestas a los efectos del cambio climático.
En esta página encontrará las últimas noticias al respecto.
En América Latina, los científicos están desarrollando variedades de banano enano resistentes a la fusariosis mediante una técnica que implica el uso de radiación. (Fotografía: M. Dita/Biodiversity International)
Paso 1: Inducción de mutaciones
La inducción de mutaciones es un proceso en el que la mutación natural de la planta se acelera mediante un catalizador biológico, químico o físico para modificar algunas de sus características. Algunos de los agentes que podrían emplearse son: virus y bacterias (biológicos), antibióticos y alquilantes (químicos) y radiación ionizante (físico).
Cuando esta técnica supone el uso de la radiación, lo habitual es irradiar semillas. Sin embargo, en algunos experimentos se han irradiado plántulas, plantas adultas o partes de ellas, como el polen, las esporas o la raíz. Si los mecanismos de reparación de las células no eliminan las mutaciones inducidas por la irradiación, se obtienen mutaciones hereditarias.
En este tipo de fitomejoramiento, los científicos emplean tecnologías como las fuentes radiactivas de cobalto 60; de hecho, ese tipo de rayos gamma ha sido el agente mutagénico más común en los últimos decenios. Otros tipos de radiación, como los rayos X, las partículas alfa y beta, los neutrones o la luz ultravioleta también se han utilizado para inducir mutaciones. Los haces de iones y la radiación cósmica están ganando popularidad en este ámbito, porque se están estudiando sus ventajas en comparación con otros tipos de radiación.
Invernadero gamma ubicado en Malasia. (Fotografía: Misión de los Estados Unidos ante las Organizaciones Internacionales en Viena)
Paso 2: Detección de mutaciones
La detección de mutaciones es el proceso en el que se define qué plantas mejoraron sus características tras haber sido sometidas al proceso de inducción de mutaciones. Las mutaciones son tan poco frecuentes que se debe irradiar una gran cantidad de semillas, que posteriormente se plantan y cultivan durante generaciones. Este proceso no durará lo mismo para todas las plantas, dado que las diversas especies tienen tiempos de desarrollo diferentes y requieren análisis distintos.
Este proceso consta de dos etapas: la preselección y la confirmación (o validación). La preselección y la confirmación de características que se pueden medir con facilidad, como el tiempo de floración o el tamaño de la planta, son relativamente sencillas. Otras características menos evidentes requieren el desarrollo y la aplicación de métodos de preselección más complejos; por ejemplo, la resistencia salina en hidroponía o la resistencia a enfermedades.
Los investigadores de la Agencia Nacional de Energía Nuclear de Indonesia (BATAN) seleccionan plantas que presentan rasgos útiles tras haber sido sometidas a un proceso de inducción de mutaciones. (Fotografía: Yustantiana/BATAN)
Inducción de mutaciones en el espacio
El espacio exterior es un entorno extremadamente adverso. En él, las semillas, las plantas o cualquier tipo de tejido vegetal se ven expuestos a la radiación cósmica y la microgravedad.
Por un lado, la radiación cósmica puede ayudarnos a obtener plantas más resistentes a las condiciones de nuestro planeta, que cada vez son peores debido al cambio climático y otros factores. Como los rayos cósmicos también pueden inducir mutaciones, los científicos envían semillas al espacio y las siembran de regreso a la Tierra. Al igual que en el fitomejoramiento convencional, los científicos seleccionan posteriormente las plantas con propiedades útiles.
Por otro lado, durante los viajes de estas semillas, los científicos de un campo del conocimiento conocido como “astrobotánica” estudian de qué manera los rayos cósmicos y la microgravedad afectan las características biológicas de la planta, para ver cómo podríamos cultivar plantas fuera de nuestro planeta.
El OIEA y la FAO están estudiando nuevas tecnologías para aumentar la resiliencia de los cultivos expuestos a los efectos del cambio climático, como la radiación cósmica. (Infografía: A. Vargas/OIEA)
¿Qué papel desempeña el OIEA?
- Junto con la FAO, el OIEA ayuda a los países a desarrollar o aplicar tecnologías relacionadas con el fitomejoramiento por inducción de mutaciones para acelerar los procesos de cultivo de nuevas variedades.
- Los laboratorios del OIEA en Seibersdorf (Austria) son un centro mundial de mutagénesis nuclear al que los países pueden enviar semillas, esquejes o plántulas para que sean irradiados, y de cuyos expertos pueden recibir orientaciones para mejorar sus métodos de cultivo.
- La Base de Datos FAO/OIEA sobre Variedades Mutantes publica información sobre las nuevas variedades de las que el OIEA tiene conocimiento, gracias a los datos proporcionados voluntariamente por los diferentes países.
- El Centro Conjunto FAO/OIEA de Técnicas Nucleares en la Alimentación y la Agricultura investiga tecnologías de vanguardia para mejorar cultivos que se ven afectados por el cambio climático, incluida la diversidad genética inducida por medio de la radiación cósmica.
How can radiation be used to make plants evolve faster?
Mutation breeding uses genetic variations induced at the beginning of the plant breeding process to quickly develop large populations of improved crops, which can be further bred until a desired result has been achieved. This grants the mutation breeding method many comparative advantages: it is cost effective, quick, proven and robust, as well as transferrable, ubiquitously applicable, non-hazardous and environmentally friendly. Moreover, it has withstood the test of time — for several decades such spontaneous genetic variations have been induced in laboratories by irradiation.
Exposure to radiation induces changes in DNA, boosting mutation rates by 1 000 to 1 million-fold, which enables breeding plants more effectively and producing more crop variations in shorter time. For example, in 2021 a new cotton variety with improved agronomic performance and fibre quality was developed in Bangladesh in only five years.
There are two dimensions to the science of mutation breeding: mutation induction and mutant selection.
Mutation induction
Mutation induction is a process through which natural spontaneous mutation is sped up through biological, chemical or physical factors to improve desirable or targeted characteristics of a plant. Those include, but are not limited to, viruses and bacteria (biological), antibiotics and alkylating agents (chemical) or exposure to ionizing radiation (physical). Plant seeds are most commonly irradiated to induce mutations. However, for certain experiments whole plants, seedlings or only parts of the plant— pollen, spores or the stem of a plant — are irradiated. If the resulting mutations are not eliminated by the cell’s own repair mechanism, a heritable mutation is generated. The plants with the most promising mutations are bred further, until the researchers arrive at a substantially improved variant that can address the farmers’ needs.
Typically, scientists use specific technologies such as cobalt-60 radioactive sources or an X-ray machine for plant irradiation. Gamma rays from cobalt-60 have been the most commonly used mutagenic agent in the past decades. Other types of radiation such as α- and β-particles, fast neutrons or UV light have also been useful for plant mutation induction. Ion beam radiation and cosmic radiation are increasingly being used for this purpose as well, in order to explore the advantages of these methods in comparison with other types of radiation.
The Gamma Greenhouse in Malaysia, which continues to be used for plant irradiation (Photo: U.S. Mission to International Organizations in Vienna)
Mutant selection
Mutant selection is the process of identifying plants that have been improved by induced mutation through irradiation. Mutations occur in such low frequencies that large numbers of seeds must be irradiated, grown and bred over different generations, until a desirable trait is developed. The time this process takes varies, since the development and analysis of mutant populations with, often, many thousands of individual plants, is a large undertaking and depends on the crop.
The process of identifying and selecting new plant varieties with improved traits involves two major steps: screening and validation. Screening and validation of visible and readily scorable characteristics of a new crop variety, such as early flowering or short stature, is straightforward. Other characteristics that are not so easily identifiable require the development and application of screening procedures specifically for the target characteristic, for example, salt tolerance in hydroponics or disease screening.
Researchers at Indonesia’s National Nuclear Energy Agency (BATAN) use irradiation to induce genetic alteration in crops and then select plants with new and useful traits (Photo: Yustantiana / BATAN)
Inducing mutation in space: How does space affect plant biology?
Space can be considered the harshest growing environment, since seeds, plants and plant materials in space are affected by cosmic radiation and microgravity. On the other hand, cosmic rays can help to produce mutations that could make plant varieties more enduring to the conditions on Earth, which are worsening because of climate change and other stressors.
Space mutagenesis, is a method that involves the use of cosmic rays in outer space to induce spontaneous mutations. Scientists typically send plant seeds into space, and then grow, screen and breed them once they return to Earth. As in conventional mutation breeding, scientists try to identify the plants with the most useful traits, and those which may provide an advantage over more traditional crop varieties. Wheat, rice and cotton have already visited space.
Moreover, cosmic rays and microgravity affect plant biology itself. This is being explored in astrobotany studies for a different purpose — to determine the best ways of growing plants in space.
You can read more about this technology here.
The IAEA and FAO explore front-end technologies in crop improvement under climate change using radiation-induced genetic diversity, including space mutagenesis (Infographic: Adriana Vargas/IAEA)
What is the role of IAEA?
- Jointly with the FAO, the IAEA assists countries in the development and application of mutation breeding technologies to speed up their breeding processes in variety development.
- The IAEA plant breeding laboratories in Seibersdorf, Austria, serve as the global hub for nuclear mutagenesis. Countries can send their seeds, plant cuttings or seedlings to the laboratories for irradiation and to recieve expert guidance on improving crop breeding methodology.
- The IAEA’s Mutant Variety Database documents new varieties voluntarily contributed by countries. Currently, it covers around 3400 varieties from 70 countries, covering more than 200 different types of crops.
- The Joint FAO/IAEA Centre of Nuclear Techniques in Food and Agriculture explores front-end technologies in crop improvement under climate change using radiation-induced genetic diversity, including space mutagenesis.