Selección asistida por marcadores

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La selección asistida por marcadores o selección asistida por marcadores ( MAS ) es un proceso de selección indirecta donde un rasgo de interés se selecciona en función de un marcador ( variación morfológica , bioquímica o de ADN / ARN ) vinculado a un rasgo de interés (por ejemplo, productividad, resistencia a enfermedades, tolerancia al estrés abiótico y calidad), en lugar de en el rasgo en sí. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Este proceso ha sido ampliamente investigado y propuesto para el mejoramiento de plantas y animales . ^[5]

Por ejemplo, el uso de MAS para seleccionar individuos con resistencia a enfermedades implica la identificación de un alelo marcador que esté vinculado con la resistencia a enfermedades en lugar del nivel de resistencia a enfermedades. Se supone que el marcador se asocia con alta frecuencia con el gen o el locus de rasgo cuantitativo (QTL) de interés, debido al vínculo genético (proximidad, en el cromosoma, del locus marcador y el locus determinante de la resistencia a enfermedades). MAS puede ser útil para seleccionar rasgos que son difíciles o costosos de medir, presentan baja heredabilidad y/o se expresan en etapas tardías del desarrollo. En ciertos puntos del proceso de crianza, los especímenes se examinan para garantizar que expresen el rasgo deseado.

La mayoría de los trabajos de MAS en la era actual utilizan marcadores basados ​​en ADN. ^[5] Sin embargo, los primeros marcadores que permitieron la selección indirecta de un rasgo de interés fueron los marcadores morfológicos. En 1923, Karl Sax informó por primera vez la asociación de un marcador genético de herencia simple con un rasgo cuantitativo en plantas cuando observó la segregación del tamaño de la semilla asociada con la segregación de un marcador de color de la cubierta de la semilla en frijoles ( Phaseolus vulgaris L.). ^[6] En 1935, J. Rasmusson demostró la vinculación del tiempo de floración (un rasgo cuantitativo) en guisantes con un gen de herencia simple para el color de la flor. ^[7]

Los marcadores pueden ser:

• Morfológicos : estos fueron los primeros loci marcadores disponibles que tienen un impacto obvio en la morfología de las plantas. Estos marcadores a menudo son detectables a simple vista, mediante una simple inspección visual. Los ejemplos de este tipo de marcador incluyen la presencia o ausencia de una arista , la coloración de la vaina de la hoja, la altura, el color del grano, el aroma del arroz , etc. En cultivos bien caracterizados como el maíz , el tomate , el guisante, la cebada o el trigo , se han mapeado decenas o cientos de genes que determinan los rasgos morfológicos en ubicaciones cromosómicas específicas.
• Bioquímico : Una proteína que se puede extraer y observar; por ejemplo, isoenzimas y proteínas de almacenamiento .
• Citológico — Los marcadores citológicos son características cromosómicas que se pueden identificar mediante microscopía. Por lo general, toman la forma de bandas cromosómicas, regiones de cromatina que se impregnan con colorantes específicos utilizados en citología . La presencia o ausencia de una banda cromosómica se puede correlacionar con un rasgo particular, lo que indica que el locus responsable del rasgo se encuentra dentro o cerca de la región con bandas (estrechamente vinculado) a ella. Los marcadores morfológicos y citológicos formaron la columna vertebral de los primeros estudios genéticos en cultivos como el trigo y el maíz. ^[8]
• Basado en ADN — Incluidomicrosatélites (también conocidos como repeticiones cortas en tándem, STR, o repeticiones de secuencia simple, SSR),polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción(RFLP),amplificación aleatoria de ADN polimórfico(RAPD),polimorfismo de longitud de fragmentos amplificados(AFLP) y polimorfismos de un solo nucleótido (SNP).^[9]

Los siguientes términos son generalmente menos relevantes para las discusiones sobre MAS en el mejoramiento de plantas y animales, pero son muy relevantes en la investigación de biología molecular:

• Los marcadores seleccionables positivos son marcadores seleccionables que confieren ventaja selectiva al organismo huésped. ^[10] Un ejemplo sería la resistencia a los antibióticos, que permite al organismo huésped sobrevivir a la selección de antibióticos.
• Los marcadores seleccionables negativos son marcadores seleccionables que eliminan o inhiben el crecimiento del organismo huésped tras la selección. ^[11] Un ejemplo sería la timidina quinasa , que hace que el huésped sea sensible a la selección de ganciclovir .

Se puede hacer una distinción entre marcadores seleccionables (que eliminan ciertos genotipos de la población) y marcadores de detección (que hacen que ciertos genotipos sean fácilmente identificables, momento en el cual el experimentador debe "puntuar" o evaluar la población y actuar para retener los genotipos preferidos). La mayoría de los MAS utilizan marcadores de detección en lugar de marcadores de selección.

El gen de interés causa directamente la producción de proteínas o ARN que producen un rasgo o fenotipo deseado, mientras que los marcadores (una secuencia de ADN o los marcadores morfológicos o bioquímicos producidos debido a ese ADN) están genéticamente vinculados al gen de interés. El gen de interés y el marcador tienden a moverse juntos durante la segregación de gametos debido a su proximidad en el mismo cromosoma y la reducción concomitante en la recombinación (eventos de cruce de cromosomas) entre el marcador y el gen de interés. Para algunos rasgos, se ha descubierto el gen de interés y la presencia de alelos deseables se puede analizar directamente con un alto nivel de confianza. Sin embargo, si no se conoce el gen de interés, los marcadores vinculados al gen de interés aún se pueden utilizar para seleccionar individuos con alelos deseables del gen de interés. Cuando se utilizan marcadores, puede haber algunos resultados inexactos debido a pruebas inexactas para el marcador. También puede haber resultados falsos positivos cuando se utilizan marcadores, debido a la recombinación entre el marcador de interés y el gen (o QTL). Un marcador perfecto no produciría resultados falsos positivos. El término "marcador perfecto" se utiliza a veces cuando se realizan pruebas para detectar un SNP u otro polimorfismo de ADN en el gen de interés, si ese SNP u otro polimorfismo es la causa directa del rasgo de interés. El término "marcador" sigue siendo adecuado para su uso cuando se analiza directamente el gen de interés, porque la prueba del genotipo es una prueba indirecta del rasgo o fenotipo de interés. ^{[ cita requerida ]}

Un marcador ideal:

• Tiene fácil reconocimiento de fenotipos: idealmente todos los fenotipos posibles ( homo y heterocigotos ) de todos los alelos posibles.
• Demuestra diferencias mensurables en la expresión entre tipos de rasgos o alelos de genes de interés, en etapas tempranas del desarrollo del organismo.
• Las pruebas para el marcador no tienen un éxito variable según el alelo en el locus marcador o el alelo en el locus objetivo (el gen de interés que determina el rasgo de interés).
• Interacción baja o nula entre los marcadores que permite el uso de muchos al mismo tiempo en una población segregante
• Abundante en número
• Polimórfico

Los marcadores morfológicos están asociados a varios déficits generales que reducen su utilidad, entre ellos:

• el retraso en la expresión del marcador hasta una etapa avanzada del desarrollo del organismo
• Permitir que el dominio enmascare la genética subyacente
• pleiotropía , que no permite extraer inferencias fáciles y parsimoniosas de un gen a un rasgo
• efectos de confusión de genes no relacionados con el gen o rasgo de interés pero que también afectan al marcador morfológico ( epistasia )
• Efectos confusos frecuentes de factores ambientales que afectan las características morfológicas del organismo.

Para evitar problemas específicos de los marcadores morfológicos, se han desarrollado marcadores basados ​​en ADN. Son altamente polimórficos , presentan una herencia simple (a menudo codominante), son abundantes en todo el genoma, son fáciles y rápidos de detectar, muestran efectos pleiotrópicos mínimos y su detección no depende de la etapa de desarrollo del organismo. Se han mapeado numerosos marcadores en diferentes cromosomas en varios cultivos, incluidos el arroz, el trigo, el maíz, la soja y varios otros, y en ganado como vacas, cerdos y pollos. Esos marcadores se han utilizado en análisis de diversidad, detección de paternidad, huellas de ADN y predicción del rendimiento de los híbridos. Los marcadores moleculares son útiles en procesos de selección indirecta, lo que permite la selección manual de individuos para una mayor propagación.

Los 'genes principales' que son responsables de características económicamente importantes son frecuentes en el reino vegetal. Dichas características incluyen resistencia a enfermedades, esterilidad masculina, ^[12] autoincompatibilidad y otras relacionadas con la forma, el color y la arquitectura de plantas enteras y a menudo son de naturaleza mono u oligogénica. Los loci marcadores que están estrechamente vinculados a los genes principales se pueden utilizar para la selección y, a veces, son más eficientes que la selección directa para el gen objetivo. Dichas ventajas en eficiencia pueden deberse, por ejemplo, a una mayor expresión del ARNm marcador en los casos en que el marcador es en sí mismo un gen. Alternativamente, en los casos en que el gen objetivo de interés difiere entre dos alelos por un polimorfismo de un solo nucleótido difícil de detectar , un marcador externo (ya sea otro gen o un polimorfismo que sea más fácil de detectar, como una repetición corta en tándem ) puede presentarse como la opción más realista.

Existen varias indicaciones para el uso de marcadores moleculares en la selección de un rasgo genético.

Situaciones como:

• El carácter seleccionado se expresa tarde en el desarrollo de la planta, como las características de los frutos y las flores o los caracteres adultos con un período juvenil (de modo que no es necesario esperar a que el organismo esté completamente desarrollado antes de que se puedan hacer arreglos para la propagación).
• La expresión del gen objetivo es recesiva (de modo que los individuos que son heterocigotos positivos para el alelo recesivo pueden cruzarse para producir descendencia homocigótica con el rasgo deseado).
• Existen condiciones especiales para la expresión de los genes objetivo, como en el caso del mejoramiento para la resistencia a enfermedades y plagas (donde de otro modo se requeriría la inoculación con la enfermedad o el sometimiento a las plagas). A veces, los métodos de inoculación no son confiables y, a veces, ni siquiera se permite la inoculación de campo con el patógeno por razones de seguridad. Además, a veces la expresión depende de las condiciones ambientales.
• El fenotipo se ve afectado por dos o más genes no ligados (epistatis). Por ejemplo, la selección de múltiples genes que proporcionan resistencia contra enfermedades o plagas de insectos para la piramidación genética .

El costo de la genotipificación (por ejemplo, los ensayos de marcadores moleculares necesarios aquí) está disminuyendo, lo que aumenta el atractivo de la MAS a medida que continúa el desarrollo de la tecnología. (Además, el costo de la fenotipificación realizada por un ser humano es una carga laboral , que es más alta en un país desarrollado y aumenta en un país en desarrollo).

Generalmente, el primer paso es mapear el gen o el locus de rasgo cuantitativo (QTL) de interés primero utilizando diferentes técnicas y luego utilizando esta información para la selección asistida por marcadores. Generalmente, los marcadores a utilizar deben estar cerca del gen de interés (<5 unidades de recombinación o cM) para asegurar que solo una fracción menor de los individuos seleccionados serán recombinantes. Generalmente, no solo se utilizan un solo marcador sino dos marcadores para reducir las posibilidades de un error debido a la recombinación homóloga. Por ejemplo, si se utilizan dos marcadores flanqueantes al mismo tiempo con un intervalo entre ellos de aproximadamente 20 cM, existe una mayor probabilidad (99%) de recuperación del gen objetivo.

En las plantas, el mapeo de QTL se logra generalmente utilizando poblaciones cruzadas biparentales; se desarrolla un cruce entre dos progenitores que tienen un fenotipo contrastante para el rasgo de interés. Las poblaciones que se utilizan comúnmente son las líneas casi isogénicas (NIL), las líneas endogámicas recombinantes (RIL), los haploides dobles (DH), el retrocruzamiento y la F ₂ . El ligamiento entre el fenotipo y los marcadores que ya se han mapeado se prueba en estas poblaciones para determinar la posición del QTL. Estas técnicas se basan en el ligamiento y, por lo tanto, se denominan " mapeo de ligamiento ".

A diferencia del mapeo de QTL de dos pasos y el MAS, se ha desarrollado un método de un solo paso para mejorar poblaciones de plantas típicas. ^{[13] [14]}

En este enfoque, en los primeros ciclos de crianza, los marcadores vinculados al rasgo de interés se identifican mediante el mapeo de QTL y luego se utiliza la misma información en la misma población. En este enfoque, la estructura del pedigrí se crea a partir de familias que se crean cruzando varios progenitores (en cruces de tres o cuatro vías). Tanto la fenotipificación como la genotipificación se realizan utilizando marcadores moleculares mapeados en la posible ubicación del QTL de interés. Esto identificará los marcadores y sus alelos favorables. Una vez que se identifican estos alelos marcadores favorables, se aumentará la frecuencia de dichos alelos y se estimará la respuesta a la selección asistida por marcadores. El o los alelos marcadores con el efecto deseado se utilizarán en el próximo ciclo de selección u otros experimentos.

Recientemente se han desarrollado técnicas de genotipado de alto rendimiento que permiten la selección asistida por marcadores de muchos genotipos. Esto ayudará a los criadores a pasar de la cría tradicional a la selección asistida por marcadores. Un ejemplo de dicha automatización es el uso de robots de aislamiento de ADN, electroforesis capilar y robots de pipeteo.

Un ejemplo reciente de sistema capilar es el analizador genético 3130 de Applied Biosystems. Se trata de la última generación de instrumentos de electroforesis de 4 capilares para laboratorios de bajo a medio rendimiento.

Se necesita un MAS de alto rendimiento para el mejoramiento de cultivos porque las técnicas actuales no son rentables. Se han desarrollado matrices para arroz por Masouleh et al 2009; trigo por Berard et al 2009, Bernardo et al 2015 y Rasheed et al 2016; legumbres por Varshney et al 2016; y varios otros cultivos, pero todos ellos también tienen problemas con la personalización, el costo, la flexibilidad y los costos de los equipos. ^[15]

Se requieren un mínimo de cinco o seis generaciones de retrocruzamiento para transferir un gen de interés de un donante (puede no estar adaptado) a un receptor (recurrente: cultivar adaptado). La recuperación del genotipo recurrente se puede acelerar con el uso de marcadores moleculares. Si la F1 es heterocigota para el locus marcador , los individuos con el alelo o los alelos parentales recurrentes en el locus marcador en la primera o posteriores generaciones de retrocruzamiento también portarán un cromosoma marcado por el marcador.

Se ha propuesto y aplicado la piramidación de genes para mejorar la resistencia a enfermedades e insectos mediante la selección de dos o más genes a la vez. Por ejemplo, en el arroz se han desarrollado pirámides de este tipo contra el tizón y el añublo bacteriano. La ventaja del uso de marcadores en este caso permite seleccionar marcadores ligados a alelos QTL que tienen el mismo efecto fenotípico.

También se ha demostrado que el MAS es útil para la mejora del ganado . ^[16]

Existe un esfuerzo coordinado para implementar la selección asistida por marcadores de trigo ( Triticum turgidum y trigo común ( Triticum aestivum )) en los EE. UU., así como un recurso para la selección asistida por marcadores en el sitio web del CAP (Proyecto Agrícola Coordinado) de Trigo.

• Mapeo de asociaciones
• Mapeo de QTL basado en la familia
• Genómica de la domesticación
• Historia del fitomejoramiento
• Mejoramiento molecular
• Mapeo de asociaciones anidadas
• Mapeo de QTL
• Métodos de selección en el mejoramiento vegetal basados ​​en el modo de reproducción
• Cría inteligente

• Revisar la aplicación del MAS en el mejoramiento de cultivos ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Collard, Bertrand CY; Mackill, David J. (12 de febrero de 2008). "Selección asistida por marcadores: un enfoque para el mejoramiento de plantas de precisión en el siglo XXI". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 363 (1491): 557–572. doi :10.1098/rstb.2007.2170. ISSN  0962-8436. PMC  2610170 . PMID  17715053.
• Gupta, PK; Langridge, Peter; Mir, RR (11 de diciembre de 2009). "Mejora del trigo asistida por marcadores: estado actual y posibilidades futuras". Molecular Breeding . 26 (2): 145–161. doi :10.1007/s11032-009-9359-7. ISSN  1380-3743. S2CID  9989382.
• Moose, Stephen P.; Mumm, Rita H. (1 de julio de 2008). "El fitomejoramiento molecular como base para el mejoramiento de cultivos en el siglo XXI". Fisiología vegetal . 147 (3). Oxford University Press (OUP): 969–977. doi :10.1104/pp.108.118232. ISSN  1532-2548. PMC  2442525 . PMID  18612074. Sociedad Estadounidense de Biólogos Vegetales .
• Mejoramiento de plantas y genómica