Boletín Nº 178 - Septiembre 2017
Con el apoyo del Fondo de Incentivos:
Investigadores
de la UCR buscan generar nuevas variantes genéticas de café que puedan resistir
la roya
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Científicos
inducen mutaciones con agentes químicos
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Esperan contar
con plantas más resistentes a hongos y al stress abiótico
Silvia Arias
Periodista CONICIT
sarias@conicit.go.cr
La roya, es una
enfermedad causada por el hongo Hemileia vastratix, y es considerada una de las plagas que
provoca mayor daño y repercusión económica en las plantaciones de café. La
enfermedad ha afectado el 49 % del área cultivada en Centroamérica y pese a
las medidas tomadas en cada país para combatir la plaga ha obligado a la poda
del 28 % de los cafetales en la región. Según cálculos del Instituto
Costarricense del Café (ICAFE) en Costa Rica, esta enfermedad afectó cultivos
en 60 cantones del país, especialmente en unas 60.000 hectáreas de las 90.000
sembradas en el 2012, lo cual representa un 64% de los cafetales del país.
Ante esta compleja situación para uno de los
principales cultivos agrícolas del país, investigadores de la Universidad de
Costa Rica iniciaron en el 2015 con el apoyo del Fondo de Incentivos que
administra el CONICIT, un proyecto que permita aportar alternativas de
solución para disminuir del impacto de esta enfermedad en los cultivos de la
región.
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El Dr. Andrés
Gatica Arias (izq) junto con los estudiantes
Emmanuel López Gamboa y César Vargas Segura, revisan el material de
experimentación en el laboratorio.
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La investigación que se realiza actualmente y
concluirá en el 2018, pretende producir nuevas variantes genéticas del café (Coffea arabica L.)
que resistan la roya, mediante la inducción de mutaciones con agentes químicos.
Planta de
café con tres hojas por nudo.
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"Lo que hacemos es
que, en el laboratorio, simulamos una mutación -que en la naturaleza ocurre
de manera natural con una frecuencia muy baja y en largos períodos de
tiempo-. Nosotros en el laboratorio tratamos el material, (semillas y
material in vitro) con agentes
químicos que provocan cambios en la cadena del ADN" comentó el Dr. Andrés Gatica Arias, profesor asociado de la Escuela de Biología
de la Universidad de Costa Rica e investigador principal del proyecto.
Los cambios que los
científicos inducen en el laboratorio, producen una proteína que genera que
los rasgos físicos (fenotipo) de las nuevas plantas sean distintos, de esa
forma se busca en los nuevos individuos variantes que presenten resistencia a
la roya.
Aparte de inducir la variabilidad en plantas
de café utilizando agentes químicos, la investigación se profundiza al
evaluar esa variabilidad utilizando algunos marcadores moleculares que
indican a los expertos si existió un cambio en el ADN con respecto a las
plantas no tratadas. Finalmente, la investigación busca evaluar la
resistencia a la roya bajo condiciones de laboratorio, invernadero y en el
campo.
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Proceso de Inducción de Variabilidad
Genética
La investigación contó con el apoyo de varios
estudiantes entre los que se destaca el Ing. Agr. Cesar Vargas Segura, quien
tuvo a cargo la definición de las dosis de los agentes químicos a utilizar para
producir las nuevas variantes de café.
"Lo primero que hicimos fue definir una dosis de los agentes químicos,
este es un proceso delicado debido a que si se aplica mucho producto químico
(agente mutagénico) la planta se puede morir, y si se
aplica poco, podemos no tener ningún efecto. Para estos utilizamos como agentes
Azida de Sodio y EMS (Etil
Metano Sulfonato)" aseguró el estudiante.
Así, se definió la
dosis del agente muta génico a utilizar y el tiempo optimo que iba a estar la
semilla de café en contacto con el agente mutagénico,
para determinar lo que es conocido técnicamente como la dosis letal media
(concepto que se utiliza para trabajar en mutaciones, que consiste en la
dosis del agente muta génico que mata al 50% de las plantas). Posteriormente
se investigó si a nivel molecular existió un cambio en el genoma de la planta
con la ayuda del laboratorio de biotecnología de la Escuela de Biología y el
Laboratorio de Fitopatología de la sede del Atlántico de la Universidad de
Costa Rica, así como del Centro Nacional de Innovaciones Biotecnológicas, CENIBiot.
"La información que
está almacenada en la secuencia de ADN determina si una planta es alta o es
pequeña, si produce más o produce menos y si es resistente o susceptible a la
enfermedad. La idea con estos agentes químicos es provocar un cambio en
secuencias de bases nitrogenadas de los genes, que inducen cambios en la
secuencia de ADN y se traducen en unas proteínas diferentes" comentó el
experto.
Después de determinar las dosis y
concentraciones, se pusieron a germinar 150 semillas en sustrato estéril, una
vez germinadas, se evaluaron las características morfológicas de las plantas
midiendo la altura, la longitud de la raíz y el peso de la planta. Finalmente
se realizó un análisis estadístico con el fin de dar un resultado confiable
de si las dosis utilizadas afectaron el crecimiento de la planta.
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Ing. César Vargas Segura.
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La investigación ha
permitido observar diferencias con respecto a las plantas no tratadas. Por
ejemplo, se lograron observar algunas variaciones en la forma de la hoja y a
nivel molecular los marcadores moleculares permitieron identificar que existen
polimorfismos en la secuencia de ADN y que, en efecto, existen diferencias
interesantes con respecto a los controles o plantas no tratadas.
"La inducción de
mutaciones se ha utilizado por muchos años en gran cantidad de especies,
existen más de 3000 variedades que han sido generadas utilizando esta técnica.
En el caso del café este es el primer intento que se realiza a nivel nacional y
somos el único laboratorio que lo hace en Costa Rica, a nivel internacional
somos pioneros en este campo", comentó el Dr. Gatica, y agregó que esta técnica
no es una técnica transgénica ya que no se introducen genes de otros organismos,
sino que lo que se hace es inducir y solamente modificar el genoma propio de la
planta.
En una tercera etapa del proceso se trabajó con
una mayor cantidad de semillas y en el almácigo también se identificaron
algunas variaciones en la población, así como la frecuencia de cada una de las
variaciones, por ejemplo, se identificaron hojas acorazonadas y de tres hojas
por nudo, (generalmente la planta tiene dos hojas por punto) y algunas
variaciones cloróticas (de color en las hojas). Igualmente se identificaron
algunas plantas con varios tallos y hojas completamente diferentes.
En las próximas
semanas corresponderá, en condiciones controladas y tomando en cuenta el ciclo
y condiciones ideales para que se presente la roya, evaluar la susceptibilidad
de la planta a la enfermedad, para esto, con la ayuda de la Sede de la UCR en
Turrialba, se recolectarán hojas enfermas y se inocularán las plantas
experimentales las cuales se compararán posteriormente con testigos para
evaluar y diferenciar la tolerancia o resistencia a la enfermedad.
Según el Ing. Emmanuel López Gamboa, estudiante
de la licenciatura en agronomía que también contribuye en este proyecto, una de
las regiones más afectadas y con condiciones más favorables para el desarrollo
de la roya por temperatura y humedad es la zona de Turrialba, así que junto con
el laboratorio de Fitopatología de la Sede de Turrialba de la Universidad de
Costa Rica se probarán ahí las plantas en campo y se harán ahí las
inoculaciones pertinentes.
Contexto Internacional
La investigación en
curso es pionera a nivel nacional e internacional, los expertos participantes
han podido compartir los resultados de la misma en reuniones y congresos
internacionales donde han podido identificar su estudio como de vanguardia.
Los estudiantes de
Ingeniería en Biotecnología del Instituto Tecnológico de Costa Rica y de
Licenciatura en Agronomía de la Universidad de Costa Rica que han participado
en la investigación, han tenido la oportunidad de asistir a congresos
internacionales (con financiamiento externo al del proyecto) y han podido
presentar sus resultados de sus investigaciones a nivel nacional e
internacional. Muchos resultados a nivel de laboratorio se han dado a conocer
en un entorno científico en países como Perú, China, Cuba y Austria.
"El año pasado tuve la oportunidad de estar
en el Organismo Internacional de Energía Atómica en Austria, ellos
organizaron un curso de inducción de mutaciones en café donde estuvimos con
países miembros de un consorcio internacional de países en los que se
cultiva, ahí yo me di cuenta que nosotros vamos más avanzados que los demás
países debido a que hemos desarrollado las técnicas y tenemos inclusive
plantas en el campo y los demás países no han llegado todavía a esa etapa.
Eso nos da a nosotros una ventaja.", comentó el investigador principal.
Etapas
siguientes
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Plantas de café tratadas.
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Las plantas que se tienen actualmente en el
campo se deben evaluar y permitir que produzcan frutos y semillas para obtener
una segunda generación la cual se analizaría en una segunda etapa del proyecto
para la que se busca financiamiento.
Algunas organizaciones privadas y cooperativas han mostrado interés en
el proyecto y han ofrecido espacio para hacer experimentos. Igualmente, los
investigadores exploran posibilidades con los Fondos FEES de CONARE para esta
segunda etapa.
Cuadro de datos
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Trabajos finales de
graduación involucradas en el proyecto
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Nombre de los/las estudiantes
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Nivel (Licenciatura,
Maestría, Doctorado, Especialidad, Diplomado)
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Estado
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Inducción de variabilidad genética en café (Coffea arabica
L.) Mediante inducción de mutaciones con el uso de agentes químicos.
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César Vargas Segura
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Licenciatura en Agronomía, UCR
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Finalizado
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Establecimiento de un protocolo de inducción de
variabilidad genética en suspensiones celulares de Coffea arabica L (var.
Catuaí) mediante la aplicación de mutagénesis química
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Alejandro Bolívar González
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Bachillerato en Biotecnología, ITCR
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Finalizado
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Determinación del LD50 de dos agentes mutagénicos
químicos (Azida de Sodio y EMS) y un agente mutagénico físico (radiación gamma) en embriones cigóticos de café (Coffea arabica L.) mediante pruebas de
viabilidad con TTC
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Jorge Rodríguez
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Bachillerato en Biotecnología, ITCR
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Finalizado
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Evaluación de la susceptibilidad de diferentes
etapas fenológicas de plantas de café (Coffea arabica L.) Al agente causal de la
enfermedad roya (patógeno Hemileia vastatrix), en la zona de Turrialba.
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Karla Sánchez
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Licenciatura en Agronomía, UCR
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En ejecución
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Evaluación morfológica, fisiológica y de la susceptibilidad a la roya (Hemileia vastatrix)
en plantas M1 de café (Coffea arabica L.) tratadas con los agentes mutagénicos
azida de sodio y etil metanosulfonato
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Emmanuel
López Gamboa
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Licenciatura en Agronomía, UCR
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En ejecución
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Caracterización y evaluación del efecto de la variabilidad en
secuencias genómicas de accesiones de Coffea y plantas de Coffea arabica L. var. Catuaí desarrolladas mediante mutagénesis
in vitro en la respuesta de
defensa ante la infección de Hemileia vastatrix
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Alejandro Bolívar González
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Maestría, UCR
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En ejecución
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Actualmente los investigadores preparan
tres artículos científicos los cuales desarrollan con base en la
experimentación realizada:
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Alejandro Bolivar-González, Marta Valdez-Melara, Andrés Gatica-Arias
(2017) Sensitivity of embryogenic coffee cell suspensions to chemically
mutagenesis, in vitro selection for salt tolerance and detection of DNA polymorphisms. Plant Cell Tissue and
Organ Culture En
preparación.
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César Vargas, Marta
Valdez-Melara, Andrés Gatica-Arias
(2016) Radio-sensitivity of seeds of Coffea
arabica to chemical mutagens. Plant Cell Reports. En preparación
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Jorge Rodríguez, Andrés
Gatica-Arias (2016) Radio-sensitivity of zygotic
embryos of Coffea arabica
to chemical and physical mutagens. Plant Cell, Tissue and Organ Cuture. En preparación
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