Las nuevas herramientas genéticas producirán peces, ostras y camarones de cultivo mejorados. Esto es lo que se puede esperar

 

En los corrales de investigación de Chile, los investigadores desarrollan cepas de salmón del Atlántico cultivado con características mejoradas como el crecimiento y la salud. GENÉTICA DE HENDRIX

Por Erik Stokstad. Reportero de Science que cubre temas ambientales.

19 de febrero de 2020

Traducido por L. Domenech

Hace dos años, frente a la costa de Noruega, el Ro Fjell de casco azul se acercó a Ocean Farm 1, un corral con red de acero del tamaño de una manzana. Conectando una pesada manguera de vacío al corral, la tripulación del barco comenzó a bombear salmones adultos y musculosos fuera del agua y a un tanque debajo de la cubierta. Más tarde, descargaron el pescado en una instalación de procesamiento en tierra propiedad de SalMar, una importante empresa de acuicultura de salmón.

La cosecha de 2018 marcó el debut del corral de peces en alta mar más grande del mundo, con 110 metros de ancho. Las instalaciones emblemáticas de SalMar, que eclipsan los típicos corrales mantenidos en aguas costeras más tranquilas, pueden albergar 1,5 millones de peces, con 22.000 sensores que monitorean su entorno y comportamiento, que finalmente se envían a todo el mundo. Los peces de Ocean Farm 1 eran un 10% más grandes que el promedio, gracias a temperaturas mas estables y favorables. Y el agua profunda y las fuertes corrientes significaban que estaban libres de piojos marinos y parásitos.

Hace apenas medio siglo, el comercio de salmón del Atlántico era un asunto principalmente regional que dependía únicamente del pescado capturado en la naturaleza. Ahora, el cultivo de salmón se ha convertido en un negocio global que genera $ 18 mil millones en ventas anuales. La cría ha sido clave para el auge de la acuicultura. Los habitantes plateados de Ocean Farm 1 crecen aproximadamente el doble de rápido que sus ancestros salvajes y han sido criados para resistir enfermedades y otros rasgos que los hacen muy adecuados para la vida agrícola. Esas mejoras en el salmón son solo el comienzo: los avances en genómica están preparados para remodelar drásticamente la acuicultura al ayudar a mejorar una multitud de especies y rasgos.

La ingeniería genética ha tardado en afianzarse en la acuicultura; sólo se ha comercializado una especie modificada genéticamente, un salmón transgénico. Pero las empresas y las instituciones de investigación están reforzando la reproducción tradicional con conocimientos y herramientas genómicas, como chips genéticos, que aceleran la identificación de peces y mariscos que tienen los rasgos deseados. Los principales objetivos incluyen el aumento de las tasas de crecimiento y la resistencia a enfermedades y parásitos. Los criadores también están mejorando la resistencia de algunas especies, lo que podría ayudar a los agricultores a adaptarse a un clima cambiante. Y muchos esperan mejorar los rasgos que agradan a los consumidores, mediante la cría de peces para obtener filetes de mayor calidad, colores llamativos o mayores niveles de nutrientes. “Hay un cambio de paradigma en la adopción de nuevas tecnologías que pueden mejorar de manera más efectiva los rasgos complejos”, dice Morten Rye, director de genética de Benchmark Genetics, una empresa de cría de acuicultura.

Los criadores de acuicultura pueden aprovechar un rico tesoro de material genético; la mayoría de los peces y mariscos han experimentado pocas mejoras genéticas sistemáticas para la agricultura, en comparación con la cría selectiva que han experimentado los pollos, el ganado y otros animales domésticos. "Existe una gran cantidad de potencial genético en las especies de acuicultura que aún no se ha realizado", dice el genetista Ross Houston del Instituto Roslin.

Sin embargo, en medio del entusiasmo por el futuro de la acuicultura, existen preocupaciones. No está claro, por ejemplo, si los consumidores aceptarán pescados y mariscos que hayan sido alterados usando tecnologías que reescriban genes o los muevan entre especies. Y a algunos observadores les preocupa que los esfuerzos de reproducción genómica estén descuidando especies importantes para la alimentación de las personas en el mundo en desarrollo. Aún así, las expectativas son altas. "La tecnología es asombrosa, avanza muy rápido, los costos están bajando", dice Ximing Guo, genetista de la Universidad de Rutgers, New Brunswick. "Todos en el campo están emocionados".

La piscicultura puede no tener raíces tan antiguas como la agricultura, pero se remonta a milenios. Hace unos 3500 años, los egipcios criaban doradas en una gran laguna. Los romanos cultivaban ostras. Y la carpa se ha cultivado y criado selectivamente en China durante miles de años. Sin embargo, pocas especies de acuicultura experimentaron una mejora científica sistemática hasta el siglo XX.

Una especie que ha recibido amplia atención por parte de los criadores es el salmón del Atlántico, que tiene precios relativamente altos. La agricultura comenzó a finales de la década de 1960 en Noruega. En 10 años, la reproducción había ayudado a impulsar las tasas de crecimiento y el peso de la cosecha. Cada nueva generación de peces (el salmón tarda de 3 a 4 años en madurar) crece entre un 10% y un 15% más rápido que sus antepasados. “Mis colegas del sector avícola solo pueden soñar con este tipo de porcentajes”, dice Robbert Blonk, director de I + D en acuicultura en Hendrix Genetics, una empresa de cría de animales. Durante la década de 1990, los criadores también comenzaron a seleccionar para mejorar la resistencia a las enfermedades, la calidad del filete, la maduración sexual retrasada (que aumenta los rendimientos) y otras características.

Otra historia de éxito tiene que ver con la tilapia, un gran grupo de especies de agua dulce que no suelen generar precios elevados, pero que desempeña un papel clave en el mundo en desarrollo. Un centro de investigación internacional en Malasia, ahora conocido como WorldFish, inició un programa de reproducción en la década de 1980 que rápidamente duplicó la tasa de crecimiento de una especie comúnmente criada, la tilapia del Nilo. Los criadores también mejoraron su resistencia a enfermedades, una tarea que continúa debido a la aparición de nuevos patógenos, como el virus del lago de la tilapia.

La tilapia cultivada genéticamente mejorada “fue una revolución en términos de producción de tilapia”, dice Alexandre Hilsdorf, genetista de peces de la Universidad de Mogi das Cruzes en Brasil. China, líder mundial en producción acuícola, ha capitalizado la cepa y ha construido el criadero de tilapia más grande del mundo. Cría miles de millones de peces jóvenes al año.

Ahora, la acuicultura suministra casi la mitad del pescado y los mariscos que se consumen en todo el mundo (ver el cuadro a continuación), y la producción ha crecido casi un 4,5% anual durante la última década, más rápido que la mayoría de los sectores del sector de alimentos cultivados. Esa expansión ha venido con algunos daños colaterales, incluida la contaminación de los desechos de las granjas, las grandes capturas de peces silvestres para alimentar al salmón encerrado y otras especies, y la destrucción de los humedales costeros para construir estanques de camarones. Sin embargo, la acuicultura está ahora preparada para una mayor aceleración, gracias en gran parte a la genómica.

Una marea creciente

La acuicultura rivaliza con las capturas de las pesquerías silvestres y se prevé que aumente. Gran parte del crecimiento proviene de los peces de agua dulce en Asia, como la carpa herbívora, pero la mayoría de las investigaciones se han centrado en el salmón del Atlántico y otras especies de alto valor. La tecnología genómica se está extendiendo ahora al camarón y la tilapia.

Los criadores están más entusiasmados con una técnica llamada selección genómica. Para comprender por qué, es útil comprender cómo los criadores normalmente mejoran las especies de acuicultura. Comienzan cruzando a dos padres y luego, entre cientos o miles de sus descendientes, seleccionan individuos para evaluar los rasgos que desean mejorar. Los programas avanzados hacen cientos de cruces en cada generación y eligen entre las familias de mejor rendimiento para la reproducción. Pero algunas pruebas indican que el animal no se puede utilizar posteriormente para la reproducción; medir la calidad del filete es letal, por ejemplo, y la detección de la resistencia a enfermedades significa que el individuo infectado debe permanecer en cuarentena. Como resultado, cuando los investigadores identifican un animal prometedor, deben elegir un hermano para usarlo en la cría y esperar que funcione igual de bien. "No se sabe si son los mejores o los peores de la familia", dice Dean Jerry, genetista acuícola de la Universidad James Cook, Townsville, que trabaja con criadores de camarones, ostras y peces.

Con la selección genómica, los investigadores pueden identificar a los hermanos con rasgos de alto rendimiento basados ​​en marcadores genéticos. Todo lo que necesitan es una pequeña muestra de tejido, como un recorte de una aleta, que se pueda hacer puré y analizar. Las matrices de ADN, que detectan cambios de pares de bases llamados polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), permiten a los criadores evaluar a fondo a muchos hermanos en busca de múltiples rasgos. Si el patrón de SNP sugiere que un individuo es portador de alelos óptimos, se puede seleccionar para la reproducción adicional incluso si no se ha probado. Los análisis genómicos también permiten a los criadores minimizar la endogamia.

Los criadores de ganado fueron pioneros en la selección genómica. Los criadores de salmón lo adoptaron hace unos años, seguidos por los que trabajan con camarones y tilapia. “Hay una gran carrera de la industria para implementar esta tecnología”, dice el genetista José Yáñez de la Universidad de Chile, quien agrega que incluso los pequeños productores ahora están interesados ​​en el mejoramiento genético. Como promedio aproximado, la técnica aumenta la precisión de la selección y la cantidad de mejora genética en aproximadamente un 25%, dice Houston. Este y otras herramientas están ayudando a los investigadores a perseguir objetivos como:

Crecimiento más rápido

Este rasgo mejora el resultado final, permitiendo a los productores producir lances más frecuentes y más grandes. El crecimiento es altamente heredable y fácil de medir, por lo que la cría tradicional funciona bien. Pero los criadores tienen otras tácticas para impulsar el crecimiento, incluida la provisión de peces de un solo sexo a los agricultores. La tilapia macho, por ejemplo, puede crecer significativamente más rápido que las hembras. Otra estrategia es hibridar especies. El bagre de cultivo dominante en los Estados Unidos, un híbrido de un bagre de canal hembra y un bagre azul macho, crece más rápido y es más resistente.

La inducción de la esterilidad también estimula el crecimiento y ha ayudado a aumentar los rendimientos de los mariscos, en particular las ostras. En la década de 1990, Guo y Standish Allen, ahora en el Instituto de Ciencias Marinas de Virginia, encontraron una nueva forma de crear ostras triploides, que son infértiles porque tienen una copia adicional de cada cromosoma. Estas ostras no dedican mucha energía a la reproducción, por lo que alcanzan el tamaño de la cosecha antes, lo que reduce la exposición a enfermedades. (Cuando las ostras se reproducen, más de la mitad de su cuerpo está formado por espermatozoides u óvulos, que nadie quiere comer).

De cara al futuro, los investigadores están explorando la transferencia de genes o la edición de genes para mejorar aún más las ganancias. Y una empresa estadounidense, AquaBounty, recién está comenzando a vender el primer animal comestible transgénico del mundo, un salmón del Atlántico, que afirma es un 70% más productivo que el salmón de cultivo estándar. Pero el pescado es controvertido y se ha enfrentado a la resistencia de los consumidores y a obstáculos regulatorios.

Pescado más sano

Las enfermedades suelen ser la mayor preocupación y el mayor gasto de las operaciones de acuicultura. En el camarón, los brotes pueden reducir el rendimiento general hasta en un 40% anual y pueden acabar con todas las operaciones. Las vacunas pueden prevenir algunas enfermedades en los peces, pero no en los invertebrados, porque su sistema inmunológico adaptativo está menos desarrollado. Entonces, para todas las especies, las cepas resistentes son muy deseables.

Para mejorar la resistencia a las enfermedades, los investigadores necesitan una forma rigurosa de probar animales. Gracias a una colaboración con patólogos de peces en el Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA), Benchmark Genetics pudo evaluar la susceptibilidad de la tilapia a dos enfermedades bacterianas importantes administrando una dosis precisa del patógeno y luego midiendo la respuesta. Identificaron marcadores genéticos relacionados con la infección y utilizaron la selección genómica para ayudar a desarrollar una cepa más resistente. Los científicos del USDA también han trabajado con Hendrix Genetics para aumentar la supervivencia de las truchas expuestas a un patógeno bacteriano diferente del 30% al 80% en solo tres generaciones.

Quizás el éxito más célebre ha sido el salmón. Después de que los investigadores descubrieron un marcador genético para la resistencia a la necrosis pancreática infecciosa, las empresas crearon rápidamente cepas que pueden sobrevivir a esta enfermedad mortal. Mientras tanto, los criadores de ostras han tenido éxito en el desarrollo de cepas resistentes a una cepa de herpes que devastó la industria en Francia, Australia y Nueva Zelanda.

Salmón resistente a parásitos

Un gran problema para los productores de salmón del Atlántico es el piojo de mar. El diminuto parásito se adhiere a la piel del salmón, causando heridas que dañan o matan a los peces y hacen que su carne sea inútil. Entre la pérdida de peces y el gasto de controlar los parásitos, los piojos cuestan a los productores más de 500 millones de dólares al año solo en Noruega. Los piojos se sienten atraídos por los corrales de peces y pueden saltar al salmón salvaje que pasa.

Durante años, los agricultores han confiado en los pesticidas para combatir los piojos, pero el parásito se ha vuelto resistente a muchos productos químicos. Otras técnicas, como bombear el salmón en agua caliente, que hace que los piojos se caigan, pueden estresar a los peces.

Los investigadores han descubierto que algunos salmones del Atlántico son mejores que otros para resistir los piojos, y los criadores han estado tratando de mejorar este rasgo. Hasta ahora, han tenido un éxito modesto. Comprender mejor por qué varias especies de salmón del Pacífico son inmunes a ciertos piojos podría conducir al progreso. Los científicos están explorando si los piojos de mar se sienten atraídos por ciertas sustancias químicas liberadas por el salmón del Atlántico; si es así, es posible que se modifiquen con la edición de genes.

Stock estéril

No hay sexo en la granja. Ese es un objetivo con muchas especies de acuicultura, porque la reproducción desvía energía del crecimiento. Además, los peces fértiles que escapan de las operaciones de acuicultura pueden causar problemas a los parientes silvestres. Cuando los peces silvestres se reproducen con sus primos domésticos, por ejemplo, las crías suelen tener menos éxito en la reproducción.

El salmón se puede esterilizar haciéndolos triploides, normalmente presurizando embriones recién fertilizados en un tanque de acero cuando los cromosomas se están replicando. Pero esto puede tener efectos secundarios, como una mayor susceptibilidad a las enfermedades. Anna Wargelius, fisióloga molecular del Instituto de Investigación Marina de Noruega, y sus colegas, en cambio, alteraron los genes del salmón del Atlántico para esterilizarlos, utilizando el editor de genoma CRISPR para eliminar un gen llamado deadend. En 2016, demostraron que estos peces, aunque sanos, carecen de células germinales y no maduran sexualmente. Ahora, están trabajando en el desarrollo de reproductores fértiles que produzcan estas crías estériles para los criaderos. Los embriones con genes eliminados deberían convertirse en adultos fértiles si se les inyecta ARN mensajero, según un artículo que el grupo publicó el mes pasado en Scientific Reports. Cuando estos peces maduren a finales de diciembre, intentarán criarlos. "Parece muy prometedor", dice Wargelius.

Otro enfoque no implicaría modificaciones genéticas. Los fisiólogos reproductores de peces Yonathan Zohar y Ten-Tsao Wong de la Universidad de Maryland, condado de Baltimore, están utilizando fármacos de moléculas pequeñas para interrumpir el desarrollo reproductivo temprano de modo que los peces maduren sin espermatozoides ni óvulos.

Filetes deshuesados

Los cocineros y los comensales odian los huesos. Casi la mitad de las especies principales en la acuicultura son especies de carpas o sus parientes, que son conocidos por los pequeños huesos que empacan su carne. Estos huesos no se pueden quitar fácilmente durante el procesamiento, por lo que "no se puede simplemente obtener un filete limpio y agradable", dice Benjamin Reading, fisiólogo reproductivo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

Los investigadores están estudiando la biología de estos huesos de filete para ver si algún día podrían eliminarse mediante reproducción o ingeniería genética. Hace unos años, Hilsdorf se enteró de que un criadero brasileño había descubierto una población reproductora mutante de un pez gigante del Amazonas, el tambaqui de gran cultivo, que carecía de estos filetes. Después de intentar y no poder criar una cepa deshuesada, está estudiando muestras de tejido de los mutantes en busca de pistas sobre su genética.

El genetista Ze-Xia Gao de la Universidad Agrícola de Huazhong se centra en el besugo, una carpa que se cultiva en China. Guiada por cinco marcadores genéticos, ella y sus colegas están criando el besugo para que tenga pocas espinas de filete. Podría llevar de 8 a 10 años lograrlo, dice. También han tenido cierto éxito con la edición de genes (han identificado y eliminado dos genes que controlan la presencia de huesos de filete) y planean probar el enfoque en otras especies de carpas. "Creo que será factible", dice Gao.

Nuevos elementos para el menú

Los proyectos de acuicultura en todo el mundo se esfuerzan por domesticar nuevas especies, una especie de fiebre del oro rara en la agricultura terrestre. En Nueva Zelanda, los investigadores están domesticando especies nativas porque ya están adaptadas a las condiciones locales. El Instituto de Investigación de Plantas y Alimentos de Nueva Zelanda comenzó a criar el pargo de Australasia en 2004. Los primeros trabajos se concentraron simplemente en lograr que los peces sobrevivieran y se reprodujeran en un tanque. Una década después, los investigadores comenzaron a criar para mejorar el crecimiento, y desde entonces han aumentado las tasas de crecimiento juvenil entre un 20% y un 40%.

Las técnicas genómicas han resultado críticas. Los pargos son reproductores masivos, por lo que fue difícil para los criadores identificar a los padres de descendencia prometedora, lo cual es crucial para optimizar la selección y evitar la endogamia. El análisis de ADN resolvió ese problema, porque los marcadores revelan ascendencia. El instituto también está criando otro pez local, el jurel plateado, con el objetivo de una cepa que se reproducirá en cautiverio sin implantes de hormonas. “Es un esfuerzo a largo plazo criar una especie silvestre para que sea adecuada para la acuicultura”, dice Maren Wellenreuther, genetista evolutiva del instituto de Nueva Zelanda y la Universidad de Auckland.

ESTOS ESFUERZOS DE CRÍA requieren dinero. A pesar del crecimiento de la acuicultura, la financiación de la investigación en el campo está por detrás de las cantidades invertidas en ganado, aunque algunos gobiernos están impulsando las inversiones.

Mirando globalmente, el genetista Dennis Hedgecock de Pacific Hybreed, una pequeña empresa estadounidense que desarrolla ostras híbridas, ve una "gran disparidad" entre la inversión en cría en los países desarrollados, que producen una fracción de las cosechas totales pero tienen los mayores presupuestos de investigación, y el resto del mundo. La simple aplicación de técnicas de reproducción clásicas podría mejorar rápidamente la producción, especialmente en el mundo en desarrollo, dice. Sin embargo, los cientos de especies que ahora se cultivan podrían abrumar los programas de reproducción, especialmente aquellos destinados a mejorar la resistencia a las enfermedades, agrega Hedgecock. “El crecimiento y la producción están superando la capacidad científica para hacer frente a las enfermedades”, dice, y agrega que sería beneficioso centrarse en menos especies.

Para que la genómica ayude, los expertos dicen que los costos deben seguir bajando. Un desarrollo prometedor en las matrices SNP, señalan, es una técnica llamada imputación, en la que las matrices más baratas que buscan menos cambios genéticos se combinan con un puñado de chips de mayor costo que sondean el genoma con más detalle. Tales desarrollos sugieren que la tecnología genómica está "en un punto de pivote en el que se verá que se usa ampliamente en la acuicultura", dice John Buchanan, presidente del Centro de Tecnologías de Acuicultura, una organización de investigación por contrato.

Muchas empresas ya están planificando cosechas más grandes. SalMar decidirá el próximo año si encargará un acompañante para Ocean Farm 1. Ya ha elaborado planes para un sucesor que pueda operar en mar abierto y que sea más del doble del tamaño, lo suficientemente grande para albergar de 3 a 5 millones. salmón a la vez.

El artículo se puede leer en su versión original en inglés en Science