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Una línea de tiempo del mejoramiento de plantas

Plantas que impulsan el progreso humano

Es difícil exagerar la importancia de la ciencia vegetal en el desarrollo del mundo moderno. La primera vez que alguien guardó una semilla y la plantó, la historia de los humanos y de nuestro planeta cambió para siempre.

La mayoría de los cursos de Historia comienzan hablando de la Mesopotamia, el lugar en el que nació la civilización. Allí, hace unos 10.000 años, se domesticaron plantas por primera vez, lo que marcó el comienzo de la agricultura. Más tarde, en la antigua China, aprenderían a imitar los ciclos del nitrógeno y el fósforo mediante la rotación de cultivos entre legumbres y cereales. Con esto lograron aumentar sus cosechas, 2.800 años antes de que los científicos modernos comprendieran por qué. Incluso la Revolución Industrial no hubiera sido posible sin los avances que habían llevado a una agricultura más productiva y con menor requerimiento de trabajo; avances como la rotación de cultivos, el mejoramiento por selección y los arados triangulares.

 

La alimentación marcó el camino de la historia humana

Incluso antes de que los humanos comenzaran a cultivar, la alimentación jugó un papel destacado en nuestra evolución. Hace 1,5 millones de años aproximandamente, el cerebro de nuestros ancestros prácticamente duplicó su tamaño. Los científicos que estudian la evolución humana creen que una posible explicación de este hecho se encuentra en la "hipótesis de la cocina". Afirman que el uso del fuego para cocinar hizo que fuera más fácil digerir la comida, lo que ahorraba energía durante la digestión. Esto contribuyó a una disminución en el tamaño de nuestro sistema digestivo, y dejó energia disponible para el crecimiento del cerebro.

Casi cualquier salto hacia adelante en la historia humana fue precedido por un salto correspondiente en la agricultura. Frente a un mundo cambiante, la capacidad de los agricultores, mejoradores e investigadores agrícolas de desarrollar mejores cultivos y mejores maneras de cultivarlos ha permanecido como una constante histórica.

Este patrón continua vigente: cada vez que obtenemos plantas más productivas, obtenemos alimentos y personas más productivas y menos dependientes de recursos naturales limitados.

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Este patrón continua vigente: cada vez que obtenemos plantas más productivas, obtenemos alimentos y personas más productivas y menos dependientes de recursos naturales limitados.
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La larga adolescencia de la agricultura

La transición de la humanidad de cazadores-recolectores a granjeros-pastores se completó a lo largo de milenios, a ritmos diferentes según la región. Este período está marcado por las primeras domesticaciones de plantas en cada uno de los continentes habitables, así como por los primeros esfuerzos en polinización manual. 

Nota: Cuando existe un rango de fechas posibles para una domesticación, se consigna la más reciente.

9000 a.C.

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9000 a.C.

Nace la agricultura en el Creciente Fértil entre los ríos Tigris y Éufrates, en el actual Irak.

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Nace la agricultura en el Creciente Fértil entre los ríos Tigris y Éufrates, en el actual Irak.

Las primeras plantas domesticadas fueron dos variedades de trigo, einkorn y emmer, que aún son cultivadas en la actualidad, a lo largo de la región fronteriza entre Turquía y Siria.

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8700 a.C.

El maíz es domesticado en Mesoamérica, la región que va desde el México actual hasta el extremo sur de América Central.

7000 a.C.

El arroz es domesticado en China.

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El maíz es domesticado en Mesoamérica, la región que va desde el México actual hasta el extremo sur de América Central.

El arroz es domesticado en China.

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6700 a.C.

El mijo es domesticado en China.

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El mijo es domesticado en China.

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6000 a.C.

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3500 a.C.

Domesticación de la calabaza y los porotos o frijoles en Mesoamérica.

Antiguas pinturas rupestres conocidas como el Panel del Espíritu Santo en el Cañón de la herradura, Utah, EE.UU.

5000 a.C.

Domesticación de las papas en América del Sur.

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Antiguas pinturas rupestres conocidas como el Panel del Espíritu Santo en el Cañón de la herradura, Utah, EE.UU.

Domesticación de la calabaza y los porotos o frijoles en Mesoamérica.

Domesticación de las papas en América del Sur.

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3000 a.C.

Los girasoles son domesticados en la región de los actuales estados del sudoeste de EE.UU.

3000 a.C.

El sorgo es domesticado en la región africana de Sahel, al sur del desierto del Sahara.

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Los girasoles son domesticados en la región de los actuales estados del sudoeste de EE.UU.

El sorgo es domesticado en la región africana de Sahel, al sur del desierto del Sahara.

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1000 a.C.

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Representación de un templo babilónico.

700 a.C.

Los asirios y babilonios logran la primera polinización manual trabajando con árboles de palma.

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Representación de un templo babilónico.

Los asirios y babilonios logran la primera polinización manual trabajando con árboles de palma.

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500 a.C.

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300 a.C.

Los griegos desarrollan el injerto, la técnica de unir partes de dos plantas diferentes para producir una nueva, que funciona como una planta única.

Una planta injertada. Las vendas de tela unen el pie (que aporta la raíz) con el injerto (que aporta la parte aérea).

Mosaico del siglo III que muestra el injerto de plantas, en el Musée d'Archéologie nationale et domaine national de Saint-Germain-en-Laye, Francia.

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Una planta injertada. Las vendas de tela unen el pie (que aporta la raíz) con el injerto (que aporta la parte aérea).

Los griegos desarrollan el injerto, la técnica de unir partes de dos plantas diferentes para producir una nueva, que funciona como una planta única.

Mosaico del siglo III que muestra el injerto de plantas, en el Musée d'Archéologie nationale et domaine national de Saint-Germain-en-Laye, Francia.

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1000

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1.400 – 1.600

El Renacimiento trajo al mundo el método científico, que sentaría las bases de las primeras investigaciones científicas en plantas. Al mismo tiempo, la Era de las exploraciones marca la primera vez en la historia humana en la que grandes cantidades de personas migraron de un continente a otro, llevando a las nuevas regiones especies de plantas no nativas.

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El Renacimiento trajo al mundo el método científico, que sentaría las bases de las primeras investigaciones científicas en plantas. Al mismo tiempo, la Era de las exploraciones marca la primera vez en la historia humana en la que grandes cantidades de personas migraron de un continente a otro, llevando a las nuevas regiones especies de plantas no nativas.

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El impacto de los innovadores del siglo XIX

Cuatro de los más importantes innovadores en la historia del mejoramiento vegetal trabajaron durante el siglo XIX. Esta fue la primera vez en la que los principios del método científico se aplicaron al estudio de las características de las plantas y su mejoramiento. 

El monje agustino Gregor Mendel es considerado el padre de la genética moderna. Como resultado de sus experimentos con plantas de arveja, en 1865 publicó los principios o leyes de la herencia. En 1876, el naturalista y bioólogo Charles Darwin publicó el primer trabajo en el que exploraba el concepto de vigor híbrido y los efectos negativos de la endogamia.

Otro pionero del mejoramiento fue Luther Burbank, un botánico y horticultor estadounidense que desarrolló más de 800 variedades de plantas a lo largo de 55 años de carrera.

El botánico William James Beal también hizo avanzar más que nadie antes la investigación en híbridos de maíz, durante su trabajo en el Michigan Agricultural College.

1860

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1865

Gregor Mendel publica las leyes de la herencia.

Ilustración de las leyes de la herencia de Mendel, utilizando  arvejas para mostrar cómo las características se transmiten de una generación a la siguiente.

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Ilustración de las leyes de la herencia de Mendel, utilizando  arvejas para mostrar cómo las características se transmiten de una generación a la siguiente.

Gregor Mendel publica las leyes de la herencia.

Leyes de la herencia de Mendel

 
Ley de segregación

Cada característica heredada está definida por un par de genes. Los genes de los progenitores se separan de manera equitativa y al azar, de manera que la generación siguiente tiene igual probabilidad de heredar cualquiera de los dos genes.

Ley de la segregación independiente

Los genes que determinan características individuales pasan a la descendencia de manera separada, de manera que la herencia de uno es independiente de la del otro. 

Ley de dominancia

Cuando hay dos variantes distintas dentro del par de genes, la forma dominante se expresa y oculta la presencia de la forma recesiva.

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1870

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1870

Luther Burbank desarrolla la papa Russet Burbank, resistente al tizón tardío. Esta variedad fue llevada más adelante a Irlanda, donde contribuyó a recuperar el uso de la papa tras la hambruna de 1845 ocasionada por el tizón.

1871 – 1910

El botánico William James Beal, mediante la polinización cruzada, logra aumentar la cantidad de granos por mazorca de maíz, con lo que pasó del maíz de 8 hileras al maíz híbrido de 24 hileras.

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Luther Burbank desarrolla la papa Russet Burbank, resistente al tizón tardío. Esta variedad fue llevada más adelante a Irlanda, donde contribuyó a recuperar el uso de la papa tras la hambruna de 1845 ocasionada por el tizón.

El botánico William James Beal, mediante la polinización cruzada, logra aumentar la cantidad de granos por mazorca de maíz, con lo que pasó del maíz de 8 hileras al maíz híbrido de 24 hileras.

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1875

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1876

Darwin publica “Efectos del cruzamiento y la auto fertilización en el reino vegetal”, donde establece el concepto de vigor híbrido, la idea de que el cruzamiento de distintas variedades de la misma planta produce descendientes más sanos y fuertes que las variedades endocriadas.

Notas manuscritas del cuaderno de Charles Darwin en 1856, relacionadas con el estudio de los híbridos.

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Notas manuscritas del cuaderno de Charles Darwin en 1856, relacionadas con el estudio de los híbridos.

Darwin publica “Efectos del cruzamiento y la auto fertilización en el reino vegetal”, donde establece el concepto de vigor híbrido, la idea de que el cruzamiento de distintas variedades de la misma planta produce descendientes más sanos y fuertes que las variedades endocriadas.

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Una aproximación moderna al mejoramiento vegetal

La primera mitad del siglo XX trajo numerosos avances en la ciencia y el mejoramiento de vegetales. Antes de la Primera Guerra Mundial, los híbridos eran un concepto interesante con un potencial increíble; para el fin de la Segunda Guerra Mundial, ocupaban una posición clave en el mercado agrícola. Científicos como George Harrison Shull, Edward East, Donald Forsha Jones (discípulo de East) y J.W. Gowen mostraron el camino a seguir.

Estos hombres eran parte de un reducido grupo de investigadores que buscaba aplicar las lecciones de Mendel y Darwin a la producción de cultivos comerciales. Cuando comenzaron a explorar este concepto, muchos en su área mostraron escepticismo frente a la idea de cruzar líneas endocriadas puras. Sin embargo, tuvieron tanto éxito que hacia 1933, cuando los híbridos comerciale ya estaba ampliamente disponibles en el mercado, la productividad de los cultivos se había triplicado -¡en sólo 50 años!-, dando paso a una nueva etapa de cosechas abundantes.

1900

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Los diagramas de cruzamiento muestran cómo se heredan y distribuyen las características a través de las generaciones de mejoramiento.

1903

Wilhelm Johannsen presenta la teoría de líneas puras, en la que describe la descendencia autopolinizada de parentales también autopolinizados. Las líneas puras permitieron realizar los primeros intentos exitosos de cruzamientos para generar híbridos.

 

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Los diagramas de cruzamiento muestran cómo se heredan y distribuyen las características a través de las generaciones de mejoramiento.

Wilhelm Johannsen presenta la teoría de líneas puras, en la que describe la descendencia autopolinizada de parentales también autopolinizados. Las líneas puras permitieron realizar los primeros intentos exitosos de cruzamientos para generar híbridos.

 

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1908

George Harrison Shull publica “La composición de un campo de maíz”, donde lleva el concepto de vigor híbrido al mundo del mejoramiento comercial, dando el puntapie inicial a una nueva generación de híbridos.

Ilustración de George Harrison Shull: Capsella bursa-pastoris, una hierba común.

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Ilustración de George Harrison Shull: Capsella bursa-pastoris, una hierba común.

George Harrison Shull publica “La composición de un campo de maíz”, donde lleva el concepto de vigor híbrido al mundo del mejoramiento comercial, dando el puntapie inicial a una nueva generación de híbridos.

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1909

Wilhelm Johannsen diferencia entre genotipo y fenotipo. 

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Wilhelm Johannsen diferencia entre genotipo y fenotipo. 

El genotipo es la composición genética de un organismo. El fenotipo es el conjunto de características producidas por el genotipo y su interacción con el ambiente.

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1909

Nils Heribert-Nilsson publica un artículo en el que demuestra cómo los híbridos resultantes de la cruza de líneas puras son plantas con mejor desempeño que sus progenitores, y confirma así el trabajo previo de Shull.

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Nils Heribert-Nilsson publica un artículo en el que demuestra cómo los híbridos resultantes de la cruza de líneas puras son plantas con mejor desempeño que sus progenitores, y confirma así el trabajo previo de Shull.

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1910

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1917

Donald Forsha Jones desarrolla el primer doble híbrido, lo que permite la producción comercial de semillas híbridas.

1925

Charlie Gunn y Tom Roberts establecen el primer programa de mejoramiento de maíz híbrido comercial.

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Donald Forsha Jones desarrolla el primer doble híbrido, lo que permite la producción comercial de semillas híbridas.

En 30 años, el 78% de la producción de maíz en EE.UU. pasó a ser de híbridos.

Charlie Gunn y Tom Roberts establecen el primer programa de mejoramiento de maíz híbrido comercial.

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1933

Las variedades híbridas de maíz comienzan a estar ampliamente disponibles en el mercado. 

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Las variedades híbridas de maíz comienzan a estar ampliamente disponibles en el mercado. 

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1940

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1940

Mediante mutagénesis -el proceso de causar un cambio genético- se obtiene una variedad de arroz resistente al tizón del arroz.

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Mediante mutagénesis -el proceso de causar un cambio genético- se obtiene una variedad de arroz resistente al tizón del arroz.

La mutagénesis puede ocurrir naturalmente o ser inducida por humanos. Esta última puede clasificarse según sea al azar o dirigida.

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La Revolución verde

En las décadas posteriores a la Segunda Guerra Mundial, el científico Norman Borlaug llevó el mejoramiento de plantas al centro de la escena. Se le atribuye el haber salvado a mil millones de personas de morir de hambre, gracias a su trabajo en variedades de trigo enano, resistente a enfermedades, en México e India. Además de su trabajo de mejoramiento, abogó por el uso de fertilizantes como apoyo a las semillas híbridas de avanzada, lo que llevó a enormes aumentos en la productividad de los cultivos en todo el mundo. En 1970, Borlaug recibió el premio Nobel de la Paz. 

La doble hélice lo cambia todo

Mientras Borlaug impulsaba la Revolución verde, la genética vegetal emergía como un área de alto interés científico. En 1953, gracias a las imágenes de difracción de rayos X obtenidas por Rosalind Franklin, los investigadores James Watson y Francis Crick determinaron la estructura en doble hélice del ADN.

En este punto, comenzaron a distinguirse los métodos de mejoramiento tradicional de los biotecnológicos. Hacia 1970, muchos mejoradores estaban enfocados en el interior de las plantas, y reunían información sobre su composición génica para desarrollar nuevas variedades. Para 1973, Herbert Boyer y Stanley Cohen habían desarrollado la tecnología del ADN recombinante, al demostrar que una molécula de ADN modificada por ingeniería genética podía reproducirse dentro de una nueva célula. Nacía la era de la biotecnología agrícola.

Esto llevó a la aparición, a principios de la década de 1990, de los primeros cultivos genéticamente modificados (GM), lo que contribuyó a otro salto en la productividad agrícola global.

1944

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1944

Norman Borlaug comienza su trabajo con variedades de trigo enanos, dando inicio a la Revolución verde. 

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Norman Borlaug comienza su trabajo con variedades de trigo enanos, dando inicio a la Revolución verde. 

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1949

Barbara McClintock descubre la existencia de elementos transponibles, o transposones, en el maíz.

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Barbara McClintock descubre la existencia de elementos transponibles, o transposones, en el maíz.

Un transposón es una secuencia de ADN, presente naturalmente en los organismos, que puede cambiar de posición dentro del genoma. Pueden utilizarse como herramienta para introducir ADN nuevo en un genoma de interés.

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1950

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1953

Francis Crick y James Watson describen la estructura del ADN.

Primer boceto de la estructura en doble hélica del ADN, de los cuadernos de Crick y Watson.

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Primer boceto de la estructura en doble hélica del ADN, de los cuadernos de Crick y Watson.

Francis Crick y James Watson describen la estructura del ADN.

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1970

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1973

Northrup King es la primera compañia privada no universitaria en ofrecer una variedad de soja propia.

1973

Herbert Boyer y Stanley Cohen demuestran que las moléculas de ADN recombinante, obtenidas por ingeniería genética, pueden reproducirse en células distintas a las de origen. Este descubrimiento permitió la investigación posterior en biotecnología agrícola.

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Northrup King es la primera compañia privada no universitaria en ofrecer una variedad de soja propia.

Herbert Boyer y Stanley Cohen demuestran que las moléculas de ADN recombinante, obtenidas por ingeniería genética, pueden reproducirse en células distintas a las de origen. Este descubrimiento permitió la investigación posterior en biotecnología agrícola.

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1977

Marc Van Montagu y Jeff Schell descubren el mecanismo de transferencia de genes entre Agrobacterium tumefaciens, una bacteria común en el suelo, y las plantas.

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Marc Van Montagu y Jeff Schell descubren el mecanismo de transferencia de genes entre Agrobacterium tumefaciens, una bacteria común en el suelo, y las plantas.

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1980

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1982

Desarrollan la primera planta modificada por ingeniería genética: un tabaco con resistencia a antibióticos.

1983

Seis años después del descubrimiento en la naturaleza de Agrobacterium tumefaciens, se lo utiliza por primera vez para introducir genes en células vegetales.

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Desarrollan la primera planta modificada por ingeniería genética: un tabaco con resistencia a antibióticos.

Seis años después del descubrimiento en la naturaleza de Agrobacterium tumefaciens, se lo utiliza por primera vez para introducir genes en células vegetales.

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1986

El cañon génico se utiliza por primera vez para introducir transgenes (genes provenientes de otro organismo) en células de cebolla.

Células de cebolla vistas al microscopio.

1987

Se observa por primera vez, en el genoma de la bacteria Escherichia coli, la presencia de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas, CRISPR por sus siglas en inglés.

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Células de cebolla vistas al microscopio.

El cañon génico se utiliza por primera vez para introducir transgenes (genes provenientes de otro organismo) en células de cebolla.

Esta herramienta fue inventada por John C. Sanford, Ed Wolf y Nelson Allen, de la universidad Cornell, junto con Ted Klein. La tecnología de cañón génico, también conocida como biolística, es una de las formas de insertar ácidos nucleicos dentro de las células.

Se observa por primera vez, en el genoma de la bacteria Escherichia coli, la presencia de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas, CRISPR por sus siglas en inglés.

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1988

Desarrollan la primera variedad de maíz Bt, resistente a insectos gracias a que produce una proteína proveniente de Bacillus thuringiensis, una bacteria común del suelo.

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Desarrollan la primera variedad de maíz Bt, resistente a insectos gracias a que produce una proteína proveniente de Bacillus thuringiensis, una bacteria común del suelo.

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1990

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1990

Se descubre en petunias el mecanismo de silenciamiento génico, un proceso interno que regula la expresión de características genéticas.

1994

Se aprueba la primera licencia para uso comercial de un cultivo GM. Se trata del tomate Flavr Savr, diseñado para madurar en la planta y permanecer comestible por un mayor tiempo post cosecha.

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Se descubre en petunias el mecanismo de silenciamiento génico, un proceso interno que regula la expresión de características genéticas.

Se aprueba la primera licencia para uso comercial de un cultivo GM. Se trata del tomate Flavr Savr, diseñado para madurar en la planta y permanecer comestible por un mayor tiempo post cosecha.

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1995

Reciben aprobación comercial variedades de papa Bt, maíz Bt, algodón Bt y soja resistente a glifosato.

1999

El arroz dorado, con mayor contenido de vitamina A en el grano que el arroz común, es obtenido mediante transgénesis. En 2004 se harían las primeras pruebas a campo.

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Reciben aprobación comercial variedades de papa Bt, maíz Bt, algodón Bt y soja resistente a glifosato.

El arroz dorado, con mayor contenido de vitamina A en el grano que el arroz común, es obtenido mediante transgénesis. En 2004 se harían las primeras pruebas a campo.

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2000

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2000

Se obtiene una variedad de cebada resistente al virus del enanismo amarillo, a través de la selección asistida por marcadores genéticos.

2000

Se publica la primera secuencia completa del genoma de una planta con flor: el genoma de Arabidopsis thaliana, que contiene más de 25.000 genes.

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Se obtiene una variedad de cebada resistente al virus del enanismo amarillo, a través de la selección asistida por marcadores genéticos.

La selección asistida por marcadores es la práctica de seleccionar una característica deseable para el mejoramiento, basándose en un marcador. Este es una indicador genético, bioquímico, o morfológico asociado a la característica deseada, sin serlo directamente.

Se publica la primera secuencia completa del genoma de una planta con flor: el genoma de Arabidopsis thaliana, que contiene más de 25.000 genes.

El secuenciamiento de genomas comienza a tener un papel preponderante en el mejoramiento molecular, esto es, la práctica de utilizar la biología molecular para hacer más preciso el mejoramiento.

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2005

Como indicador de la aceptación y adopción de la tecnología por parte de los productores, se siembran más de 400 mil millones de hectáreas de cultivos GM.

2009

Se publica por primera vez el genoma del maíz, que provee información genética vital para los científicos de todo el mundo.

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Como indicador de la aceptación y adopción de la tecnología por parte de los productores, se siembran más de 400 mil millones de hectáreas de cultivos GM.

Se publica por primera vez el genoma del maíz, que provee información genética vital para los científicos de todo el mundo.

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2010

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2011

Las nucleasas TALEN (Transcriptor Activator-Like Effector Nucleases) se utilizan por primera vez para editar un genoma.

2012

Se completa la secuenciación del genoma de trigo.

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Las nucleasas TALEN (Transcriptor Activator-Like Effector Nucleases) se utilizan por primera vez para editar un genoma.

Las nucleasas actúan como tijeras moleculares que permiten reconocer y cortar secuencias específicas de ADN.

Se completa la secuenciación del genoma de trigo.

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2012

Se utiliza por primera vez CRISPR/Cas9 para edición génica.

Ilustración de la disposición de los pares de bases en la doble hélice del ADN.

2016

Se produce el primer producto agrícola desarrollado por edición génica, una variedad de maiz waxy.

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Ilustración de la disposición de los pares de bases en la doble hélice del ADN.

Se utiliza por primera vez CRISPR/Cas9 para edición génica.

CRISPR es un sistema de protección bacteriana que involucra el reconocimiento de secuencias genéticas repetidas. Cas9 es una enzima capaz de cortar ADN. En conjunto, hacen posible la edición génica. Las secuencias CRISPR se utilizan para identificar la zona a reemplazar, y Cas9 corta al ADN en el lugar elegido.

Se produce el primer producto agrícola desarrollado por edición génica, una variedad de maiz waxy.

El maíz waxy es un maíz con características deseables para la alimentación animal. Carece de amilosa en su almidón, lo que permite una digestión más eficiente por parte de los animales.

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Agricultura Moderna: 
Conceptos tradicionales, herramientas innovadoras y nuevos desafíos

Las ciencias vegetales modernas abarcan una amplia variedad de herramientas y enfoques. El mejoramiento tradicional coexiste con la biotecnología, y ambos se utilizan para que la agricultura moderna produzca suficientes alimentos mientras conserva recursos naturales críticos como el agua, la energía y la tierra. Los botánicos trabajan a la par con los biólogos moleculares, y se utilizan herramientas como la selección asistida por marcadores y otras técnicas del mejoramiento molecular para lograr por vías má rápidas y eficientes, los objetivos del mejorador tradicional.

Con la vista en el futuro, la agricultura moderna enfrenta los desafíos de mantener una población en crecimiento, atender patrones de consumo que cambian a mediad que sube el estándar de vida, disminuir la presión sobre los recursos naturales, el cambio climático y sus consecuencias, y una variedad de problemas potenciales aún desconocidos.

Los científicos también recurren a las plantas para encontrar nuevas fuentes de proteína, cultivos que hagan mejor uso de la fotosíntesis, y cosechas con mejores características nutricionales. Los mejoradores modernos utilizan una increíble variedad de herramientas, que incluyen el mejoramiento tradicional, las técnicas de modificación genética, los algoritmos de avanzada, y la edición génica. Si pensamos en cuánto más productivas se han vuelto las sociedades cada vez que hubo avances en el mejoramiento, no queda más que imaginar qué cambios traeran estas herramientas en el futuro.

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