Los resultados esperados del proyecto ToMAtO tendrán un alto impacto científico y técnico, y deberían contribuir significativamente al desarrollo de una agricultura más sostenible

La horticultura del siglo XXI se enfrenta al reto de mantener la producción de verduras frescas y alimentos en un contexto de condiciones climáticas cada vez más adversas. Sequías prolongadas, suelos salinizados, temperaturas extremas y deficiencias nutricionales amenazan el rendimiento de los cultivos en diversas regiones del planeta, y ya se evidencian los efectos negativos del cambio climático en toda Europa.

Eventos meteorológicos extremos, como las olas de calor del verano de 2024, que han afectado a numerosas áreas de la Unión Europea, generan importantes pérdidas económicas en el sector agrícola, provocando cosechas de menor rendimiento y elevando los costos de producción, lo que repercute en el precio, la cantidad y la calidad de los alimentos. 

Según el informe 'Adaptación al cambio climático en el sector agrícola en Europa', publicado en 2019 por la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA, del inglés European Environment Agency), se espera que los efectos negativos del cambio climático se agraven en el futuro (Figura 1). 

En este contexto, Hans Bruyninckx, director ejecutivo de la EEA, ha destacado que los efectos del cambio climático ya están impactando la producción agrícola en Europa, especialmente en las regiones del sur. Asimismo, subrayó la necesidad de que el sector, y en particular las explotaciones agrícolas, acelere sus procesos de adaptación, y de que las futuras políticas de la Unión Europea faciliten esta transición. 

Ante este panorama, no solo resulta imprescindible una política global sostenible y ecológicamente responsable, sino también un gran esfuerzo tecnológico para desarrollar soluciones innovadoras que permitan cultivar variedades capaces de mantener o incluso incrementar su rendimiento en condiciones adversas, garantizando así la producción de alimentos en un mundo con una población en crecimiento y reduciendo la dependencia de condiciones ambientales óptimas.

No solo los investigadores y expertos en el estudio de la respuesta de los cultivos a ambientes y condiciones adversas, sino todos los organismos y agencias internacionales con competencias en agricultura y alimentación, han sido muy claros en el contexto del cambio climático: es absolutamente necesario desarrollar variedades con capacidad innata para afrontar los desafíos que imponen los nuevos escenarios ambientales. 

Con tal finalidad, la mejora genética y los avances en el conocimiento de los genomas vegetales, constituyen la mejor alternativa, que sin duda habrá que integrar con prácticas de manejo sostenible de los cultivos de interés y la producción de alimentos saludables. En este escenario, el desarrollo de nuevas variedades más tolerantes a factores de estrés abiótico requiere estrategias complementarias que conlleven la identificación de los genes y los mecanismos moleculares responsables de la tolerancia, de manera que las plantas puedan expresar las variantes genéticas que les permitan defenderse de manera adecuada frente a tales fenómenos ambientales. Estos genes pueden promover la biosíntesis de proteínas reguladoras de la respuesta, o bien de metabolitos y moléculas protectoras.

Las nuevas tecnologías de secuenciación de alto rendimiento (también conocida como secuenciación masiva o NGS, por sus siglas en inglés Next-Generation Sequencing) han permitido conocer mucho mejor los genomas vegetales y con ello, avanzar de manera más eficaz y rápida en la mejora genética de plantas. Así, se han secuenciado los genomas completos de numerosos cultivos, lo que ha permitido desarrollar nuevas metodologías de cartografía genética basada en secuenciación. Estas facilitan la localización e identificación de variantes genéticas asociadas a rasgos fenotípicos específicos, proporcionando información clave sobre la base genética de caracteres complejos como la tolerancia a estreses ambientales (Varshney et al., 2014; Michael & VanBuren, 2020). Incluso se sabe que algunos cambios epigenéticos, aquellos que no residen en la propia secuencia de ADN sino en sus características bioquímicas o en las proteínas que lo acompañan, pueden estar asociados a respuestas adaptativas al estrés, como la metilación del ADN o las modificaciones de histonas. 

Pues bien, tales cambios se analizan actualmente mediante técnicas de secuenciación de nueva generación, proporcionando otra dimensión en la búsqueda de determinantes moleculares de la resiliencia ambiental (Zhang et al., 2018). De igual manera, la secuenciación de transcriptomas (conjunto de genes que se expresan a nivel global en una célula o tejido) constituye otra estrategia de notoria utilidad, toda vez que permite comparar la expresión génica en plantas tolerantes y susceptibles sometidas a condiciones de estrés, identificando cientos o miles de genes cuya actividad se altera en respuesta a factores como la sequía, la salinidad o las temperaturas extremas (Wang et al., 2009; Zhang et al., 2016). Este tipo de análisis permite detectar genes clave involucrados en la adaptación ambiental, que pueden servir como dianas para la aplicación de las Nuevas Técnicas Genómicas (NGTs, del inglés New Genomic Techniques).

Entre estas herramientas destaca la edición genética que, de manera precisa, permite la tecnología CRISPR/Cas, y que en los últimos años ha revolucionado la genómica por su eficacia y facilidad de uso. A diferencia de la transgénesis clásica, las NGTs permiten cambiar de manera dirigida la secuencia de un gen de la propia especie sin introducir ADN foráneo, emulando mutaciones que podrían ocurrir de forma natural, pero de manera mucho más rápida y específica. Así mismo, es posible inactivar genes (knockout) o generar nuevas variantes genéticas implicadas en las rutas de respuesta al estrés, como si de variantes naturales se tratara, mejorando así la resiliencia de los cultivos a los efectos del cambio climático (Li et al., 2024).

Por otra parte, algunas de las respuestas adaptativas que las plantas han desarrollado para hacer frente a condiciones adversas suponen la biosíntesis de moléculas protectoras. La acumulación de osmólitos, compuestos de bajo peso molecular y altamente solubles, es uno de los mecanismos más comunes que han desarrollado las plantas para adaptarse a condiciones de estrés abiótico. Así, osmólitos como sacarosa, trehalosa, prolina y betaína glicina, protegen a las plantas a través de varias vías, incluyendo el ajuste osmótico, la desintoxicación de especies reactivas de oxígeno, la protección de la integridad de las membranas o preservando la estabilidad de las proteínas (1). 

La naturaleza no tóxica de los osmolitos y su capacidad para proteger a las plantas contra una amplia gama de estreses abióticos han promovido su uso como bioestimulantes en la agricultura moderna (Sharma et al., 2019). De hecho, los osmolitos suponen en la actualidad herramientas biotecnológicas poderosas para abordar la reducción del rendimiento de los cultivos provocada por el cambio climático. El interés de cualquier metabolito reside en la posibilidad de ser sintetizado de forma natural por las plantas, pues de ello depende que se pueda estudiar la ruta genética que regula su biosíntesis y el mecanismo molecular en del que depende su función protectora, y por ende, su aplicación práctica en mejora genómica de cultivos.

El uso de la secuenciación masiva y la edición génica en la mejora de cultivos representa un avance fundamental para la seguridad alimentaria global y el desarrollo de una agricultura sostenible, especialmente en un contexto de cambio climático (Li et al., 2024; Razzaq et al., 2024). No obstante, a pesar de sus múltiples beneficios, la aplicación de las NGTs en la agricultura plantea desafíos éticos, sociales y regulatorios. Uno de los principales debates gira en torno a su regulación: ¿deben los cultivos editados genéticamente considerarse equivalentes a los organismos transgénicos tradicionales? 

Esta cuestión es clave, ya que la manera en que se regulen determinará su aceptación, desarrollo y aplicación en los sistemas agrícolas a nivel global. Actualmente, la edición genética en cultivos está regulada en muchos países, aunque con enfoques divergentes. Mientras que Estados Unidos y la mayoría de otros países solo regulan los cultivos en los que se introduce material genético foráneo, permitiendo sin restricciones aquellos con ediciones que podrían ocurrir de manera natural, la Unión Europea impone restricciones más estrictas. Bajo el principio de precaución, actualmente la Unión Europea considera que incluso las plantas editadas sin genes foráneos deben regirse por la misma normativa que los organismos modificados genéticamente (OMG) clásicos, según lo establecido por el Tribunal de Justicia de la Unión Europea (comunicado de prensa n.º 111/18, Luxemburgo, 25 de julio de 2018). No obstante, este marco regulatorio está en proceso de revisión. 

El 5 de julio de 2023, la Comisión Europea presentó una propuesta (COM(2023) 411 final) para establecer un nuevo marco regulador sobre plantas desarrolladas mediante NGTs. Su objetivo es equilibrar el impulso a la innovación biotecnológica con la seguridad alimentaria y ambiental. La propuesta clasifica las plantas obtenidas mediante NGTs en dos categorías: i) Categoría 1: plantas con modificaciones que podrían lograrse mediante mejora convencional o procesos naturales. Una vez verificada su equivalencia con las obtenidas por métodos tradicionales, quedarían exentas de las estrictas regulaciones aplicadas a los OMG; ii) Categoría 2: plantas con modificaciones genéticas complejas que no se pueden obtener mediante métodos convencionales. Estas seguirían sujetas a las regulaciones de los OMG, incluyendo evaluaciones de riesgo exhaustivas antes de su aprobación y comercialización. 

Este enfoque diferenciado busca fomentar la innovación y facilitar el desarrollo de soluciones agrícolas sostenibles, sin comprometer los estándares de seguridad. Un avance más en favor del uso de NGTs se ha dado hace pocos días, el 14 marzo de 2025, al avalar los representantes de los 27 estados miembros de la UE la propuesta del Consejo Europeo, que a su vez estaba basada en la propuesta inicial de la Comisión, parcialmente modificada tras su paso por el Parlamento Europeo (la fuente original se puede consultar en https://www.consilium.europa.eu/en/press/press-releases/2025/03/14/new-genomic-techniques-council-agrees-negotiating-mandate/). 

En este contexto, la edición genética con CRISPR/Cas y otras NGTs se perfila como una herramienta clave para mejorar la seguridad alimentaria, promover la protección ambiental y avanzar hacia un sistema agroalimentario más sostenible. Además, este marco regulador está alineado con los objetivos de las estrategias De la Granja a la Mesa y de Biodiversidad del Pacto Verde Europeo, que buscan transformar la agricultura en respuesta a los desafíos climáticos y de sostenibilidad.

Conscientes del impacto del cambio climático en la horticultura, y en particular en la producción hortícola del sudeste español, en 2022 pusimos en marcha dos proyectos de investigación financiados por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y la Unión Europea, a través de los fondos NextGenerationEU, que suponen nuevas estrategias de colaboración público-privada en favor de la mejora de la resiliencia del cultivo de tomate, y cuyos resultados son extrapolables al resto de cultivos hortícolas. 

Con el proyecto INNATO (Ref. TED2021-131400B-C31), el grupo de la Universidad de Almería persigue desarrollar soluciones sostenibles que fortalezcan la resiliencia del cultivo de tomate ante la sequía. El enfoque se basa en estudiar los determinantes genéticos que regulan la tolerancia al déficit hídrico, con el fin de identificar reguladores clave que permitan mejorar la adaptación del tomate a condiciones de escasez de agua. Para ello, hemos analizado la variabilidad genética natural presente en variedades tradicionales de tomate cultivadas durante décadas en entornos semiáridos en el sureste de España, una región caracterizada por veranos calurosos y precipitaciones limitadas. 

Nuestros ensayos han demostrado que estas variedades mantienen una producción elevada de frutos, incluso bajo riego restringido, sin comprometer su calidad organoléptica y nutricional. Además, con el propósito de identificar nuevas fuentes de tolerancia a la sequía, hemos caracterizado una colección de líneas mutantes de tomate generadas mediante mutagénesis química con etilmetanosulfonato (EMS), lo que ha permitido identificar variantes más tolerantes a sequía que además mantienen su producción en invernadero en condiciones de riego deficitario. La correlación positiva entre los resultados obtenidos in vitro y en condiciones de invernadero confirma la efectividad del enfoque empleado.

Uno de los avances más significativos de INNATO ha sido la comparación de los perfiles transcriptómicos entre variedades tradicionales y líneas EMS tolerantes, utilizando técnicas de secuenciación de alto rendimiento. Este análisis permitió identificar patrones genéticos conservados entre los distintos genotipos analizados, proporcionando información clave sobre los mecanismos de respuesta al estrés hídrico. En condiciones de sequía, se detectaron 64 genes cuya expresión aumentó más de 16 veces y 12 genes cuya expresión disminuyó en la misma proporción (Figura 2). Estos genes están asociados con la regulación del ciclo y la división celular, así como con mecanismos de ajuste osmótico y producción de antioxidantes, todos ellos fundamentales para que la planta mitigue el impacto del déficit hídrico y aumente su tolerancia a la sequía. 

Actualmente, estamos editando tres de estos genes mediante CRISPR/Cas9 para evaluar su impacto en la respuesta a la sequía. Los resultados preliminares muestran variaciones fenotípicas significativas, lo que sugiere que desempeñan un papel clave en la adaptación de la planta a condiciones de déficit hídrico. A medida que el proyecto INNATO avanza, estamos desarrollando soluciones innovadoras para la agricultura en un entorno climático cambiante. 

Nuestra investigación no solo tiene el potencial de fortalecer la resiliencia de los cultivos de tomate, sino que también puede aplicarse a otros cultivos esenciales, promoviendo un uso más eficiente y sostenible del agua en la agricultura. Las variedades y mutantes identificados, junto con los conocimientos adquiridos sobre los mecanismos de tolerancia a la sequía y las herramientas genéticas que estamos desarrollando, podrían sentar las bases de futuros programas de mejora genética orientados a desarrollar tomates climáticamente adaptados, capaces de garantizar rendimientos estables y frutos de alta calidad bajo condiciones de déficit hídrico.

El segundo proyecto para incrementar la resiliencia del cultivo de tomate en condiciones de sequía y altas temperaturas, ToMAtO (Ref. TED2021-132141B-C21-C22), se basa en un descubrimiento reciente del grupo del CIB-CSIC, quien determinó, por primera vez, que las plantas producen de forma natural Oxido de trimetilamina (TMAO), un osmolito que se genera a partir de la oxidación de la Trimetilamina por enzimas monooxigenasas que contienen flavina (FMOs), y actúa manteniendo el estado de plegamiento de las proteínas (Catalá et al., 2021). 

Es de destacar que los niveles de TMAO aumentan significativamente en plantas, incluyendo cultivos tan importantes económicamente como el trigo, la cebada, el maíz, o el tomate, expuestas a situaciones de deficiencia hídrica, temperaturas bajas y salinidad en los suelos (Figura 3). Más relevante aun es el hecho de que los niveles endógenos de TMAO están directamente relacionados con la tolerancia de las plantas a esas condiciones de estrés, y que la aplicación exógena de TMAO, mediante pulverización o riego, incremente la tolerancia de las plantas a la sequía, al frio y al estrés salino (Catalá et al. 2021). 

La colaboración entre los grupos del CIB-CSIC y la Universidad de Almería ha permitido la identificación y caracterización molecular de los genes que codifican las FMOs de tomate. Los resultados han revelado que estos genes tienen niveles de expresión diferencial. Además, también se han purificado y caracterizado bioquímicamente las correspondientes FMOs. Las FMOs cuya actividad monooxigenasa ha sido posible determinar muestran, al igual que ocurre con la expresión de los genes FMO, niveles de actividad diferenciales. Considerando que el TMAO endógeno producido de forma natural por las plantas les permite mejorar su tolerancia a distintos estreses abióticos, estamos utilizando tecnologías de edición génica para sobreexpresar los genes FMOs endógenos de tomate que (i) muestran mayor nivel de expresión y (ii) codifican la proteína FMO con mayor actividad, y ello con el fin de generar nuevas variedades con alta tolerancia al estrés hídrico y a las temperaturas extremas.

Por otra parte, mediante dicha colaboración, se ha podido determinar que Solanum habrochaites, un pariente silvestre del tomate, tiene un mayor contenido endógeno de TMAO que este, lo que es consistente con su mayor tolerancia a la sequía y a las temperaturas extremas. Este resultado ha permitido desarrollar otra aproximación para obtener nuevas variedades de tomate con niveles elevados de TMAO y, por tanto, con mayor tolerancia a los estreses abióticos. Al igual que en tomate, se han identificado y caracterizado los genes FMOs y las enzimas FMOs de S. habrochaites. El gen con mayores niveles de expresión y el que codifica la FMO más activa están siendo introducidos en tomate mediante programas convencionales de mejora genética implementados con tecnologías genómicas. 

Los resultados esperados del proyecto ToMAtO tendrán un alto impacto científico y técnico, y deberían contribuir significativamente al desarrollo de una agricultura más sostenible. En conjunto, estas innovaciones en mejora genómica y edición genética proporcionan un enfoque más preciso y eficiente que las técnicas convencionales de mejora genética, acelerando significativamente la incorporación de genes asociados a la resiliencia climática en variedades élite. Por ejemplo, un rasgo complejo como la tolerancia al estrés hídrico, que tradicionalmente requeriría décadas de cruces y selección, ahora puede introducirse en solo unos pocos años mediante la edición dirigida de genes diana previamente identificados.

Nuestros ensayos han demostrado que estas variedades tradicionales de tomate mantienen una producción elevada de frutos, incluso bajo riego restringido, sin comprometer su calidad organoléptica y nutricional

Agradecimientos

Proyectos INNATO (Ref. TED2021-131400B-C31/-C32/-C33) y ToMAtO (Ref. TED2021-132141B-C21-C22), financiados por MICIU/AEI /10.13039/501100011033 y por la Unión Europea NextGenerationEU/ PRTR.

Referencias

Catalá, R., López-Cobollo, R., Berbís, M.A., Jiménez-Barbero, J., Salinas, J. (2021). Trimethylamine N-oxide is a new plant molecule that promotes abiotic stress tolerance. Sci. Adv. 7, eabd9296. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd9296

European Environment Agency Report 04/2019. Climate change adaptation in the agriculture sector in Europe. ISBN: 978-92-9480-072-05.

Li, B., Sun, C., Li, J., & Gao, C. (2024). Targeted genome-modification tools and their advanced applications in crop breeding. Nat. Rev. Genet., 25(9), 603–622. https://doi.org/10.1038/s41576-024-00720-2

Michael, T. P., & VanBuren, R. (2020). Building near-complete plant genomes. Current Opinion in Plant Biology, 54, 26–33. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2019.12.009

Razzaq, M.K., Babur, M.N., Awan, M.J.A. et al. (2024). Revolutionizing soybean genomics: How CRISPR and advanced sequencing are unlocking new potential. Functional & Integrative Genomics, 24(5), 153. https://doi.org/10.1007/s10142-024-01435-7

Sharma, A.; Shahzad, B.; Kumar, V. et al. (2019). Phytohormones Regulate Accumulation of Osmolytes Under Abiotic Stress. Biomolecules 9(7), 285. https://doi.org/10.3390/biom9070285

Varshney, R.K., Terauchi, R., McCouch, S.R. (2014). Harvesting the promising fruits of genomics: applying genome sequencing technologies to crop breeding. PLoS Biology 12(6), e1001883. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001883

Wang, Z., Gerstein, M., & Snyder, M. (2009). RNA-Seq: a revolutionary tool for transcriptomics. Nat. Rev. Genet., 10(1), 57–63. https://doi.org/10.1038/nrg2484

Zhang, H., Lang, Z., & Zhu, J.K. (2018). Dynamics and function of DNA methylation in plants. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 19(8), 489–506. https://doi.org/10.1038/s41580-018-0016-z

Zhang, Z.F., Li, Y. Y., & Xiao, B.Z. (2016). Comparative transcriptome analysis highlights the crucial roles of photosynthetic system in drought stress adaptation in upland rice. Scientific reports, 6, 19349. https://doi.org/10.1038/srep19349