Cómo conseguir sandías sin semillas

En lo que se refiere a la duración de su vida y siempre con excepciones, las plantas pueden dividirse en dos grandes grupos: perennes y anuales. Las primeras viven dos años o más (las más longevas viven 5.000 años), en el transcurso de los cuales florecen, fructifican y producen semillas.

Las plantas anuales solo tienen una temporada de vida, a veces tan corta que en algunas plantas efímeras dura unos pocos días, durante los cuales germinan a partir de las semillas producidas por sus progenitoras el año anterior, crecen, florecen y fructifican para producir semillas y con ellas la siguiente generación. Como puede deducirse, para estas plantas es fundamental producir semillas, porque sin ellas no hay descendencia.

Así las cosas, ¿qué ocurre con plantas anuales como las sandías que en los últimos años se comercializan cada vez más sin semillas. ¿Cómo es posible que se garantice la producción año tras año sin las imprescindibles semillas? La respuesta es doble: por la asombrosa plasticidad genética de las plantas y por la capacidad transformadora de la investigación científica.

La sandía, Citrullus lanatus, una planta anual originaria de África, se cultiva en todo el mundo debido a su fruto, una pepónide de enorme tamaño (normalmente más de cuatro kilos, aunque el récord lo ostenta una de 120 kilos), carnosa y jugosa (más del 90% es agua), con pulpa de color rojo y de sabor generalmente dulce. Cuando las presentan, sus muchas semillas pueden llegar a medir 1 cm de longitud, son de color negro, marrón o blanco y ricas en vitamina E, que se han utilizado en medicina popular y se consumen tostadas como alimento.

Los avances de la biotecnología experimentaron un extraordinario auge desde los albores del siglo pasado y allanaron el camino para muchos alimentos que hoy nos resultan familiares, pero que habrían dejado estupefactos a nuestros padres. Entre esos alimentos se cuentan las sandías sin semillas. 

La colosal producción de sandías

La producción mundial de sandías en 2018 superó los cien mil millones de toneladas. España ocupa el décimo tercer lugar entre los países productores con 1,93 millones de toneladas (0’83%). No he encontrado información sobre la producción española de sandías con y sin semillas, pero por los datos del Departamento de Agricultura estadounidense me entero de que su cosecha de sandías sin semillas superó en 2021 a la de las sandías con semillas en una proporción de 13 a 1. Supongo que en España la proporción será muy similar.

Desde el punto de vista biológico, la cuestión básica es cómo se pueden obtener frutos sin semillas de una planta anual cuyo único modo de reproducción son esas mismas semillas. La respuesta al dilema que cada año plantean las sandías está en las investigaciones del botánico estadounidense Albert Francis Blakeslee (1874-1954), continuadas y ampliadas por las del japonés Hitoshi Kihara (1893-1986), dos de los biotecnólogos de plantas más destacados del siglo XX. 

Polinización sin reproducción

Las semillas se desarrollan cuando los granos de polen germinan en el estigma de una flor y los tubos polínicos crecen hacia el ovario para llevar los gametos masculinos hasta los óvulos. Estos se transformarán en semillas una vez fecundado el gameto femenino (técnicamente una oosfera) que contienen. Durante el proceso de fecundación, el ovario que rodea a los óvulos resulta estimulado por una batería de hormonas que lo convierten en un fruto en cuyo interior residen las semillas que, a su vez, contienen el embrión (Figura 1). 

Figura 1

Si está pensando en que la formación de semillas podría evitarse si se pudiera impedir la polinización, tiene mucha razón. Claro que sin granos de polen (y sin los gametos masculinos que contienen) no tendría semillas… pero tampoco frutas. Las frutas grandes, dulces y carnosas son costosas de producir para una planta, pero la inversión vale la pena si la fruta atrae a los animales para que dispersen sus semillas.

Evitar la polinización no es, pues, una solución. Sin embargo, resulta que una gran carga de polen es suficiente para enviar las señales hormonales que promueven el desarrollo de la sandía, incluso si las semillas nunca se desarrollen. Por lo tanto, lo que se necesita es alguna forma de engañar a la planta proporcionándole una carga completa de polen mientras se evita que los gametos contenidos en los granos de polen fertilicen a los óvulos y produzcan semillas.

En este momento, algunos quizás se estén imaginando miles de preservativos microscópicos colocados en los tubos polínicos. Es una imagen divertida, pero la manera más efectiva de bloquear el desarrollo del embrión es usar gametos femeninos (oosferas) defectuosos.

En el interior de los óvulos, las oosferas femeninas se producen después de una secuencia de divisiones celulares que incluyen una meiosis, el tipo de división celular que reduce a la mitad el número de cromosomas de una célula.

Si se logra alterar la meiosis se producirán oosferas defectuosas y, por tanto, imposibles de fecundar. El genetista Hitoshi Kihara sabía que la meiosis se interrumpiría en cada óvulo si la planta tuviera tres copias de cada cromosoma (una condición conocida como triploide) en lugar de las dos habituales que caracterizan a la mayoría de los organismos que son (somos) diploides. Su gran contribución fue desarrollar una técnica para producir plantas de sandía triploides que acabarían por dar frutos sin semillas.

Por qué los poliploides no producen semillas

Los seres humanos somos organismos diploides (en griego, doble capa, que habitualmente se representa en los esquemas como 2n) porque nuestros cromosomas van por pares. Normalmente la mayoría de nuestras células contienen 23 pares de cromosomas homólogos (uno del padre y otro de la madre), es decir, un total de 46 cromosomas. Las sandías son también unos diploides que normalmente tienen 22 cromosomas distribuidos en 11 pares. En la naturaleza dominan (dominamos) los organismos diploides, pero también los hay poliploides.

La poliploidía es el fenómeno que presentan células, tejidos u organismos con tres o más juegos completos de cromosomas. Esas células, tejidos u organismos se denominan poliploides. La poliploidía es un fenómeno bastante frecuente en la naturaleza, aunque es más común en las plantas. Entre ellas los poliploides más frecuentes son los triploides (tres juegos de cromosomas: 3n) y tetraploides (cuatro juegos: 4n). Tampoco faltan hexaploides (6n) como el trigo harinero y octoploides (8n) como las fresas comerciales comunes.

La fertilidad de un poliploide depende de la viabilidad de los gametos y de los cigotos que producen. En general y para lo que aquí nos interesa, los individuos triploides son prácticamente estériles, mientras que los tetraploides suelen ser fértiles, aunque su fertilidad es menor que presentada por diploides.

Como los humanos, las sandías son normalmente diploides; sin embargo, a diferencia de los humanos en los que la triploidía es letal desde el inicio del desarrollo fetal, una planta con tres copias de cada cromosoma (triploide) se comporta perfectamente bien en sus actividades habituales: crece y fotosintetiza. El problema comienza con la meiosis.

Los poliploides con un número par de cromosomas, como el trigo y las fresas, pueden producir gametos normales, pero los que tienen un número impar (triploides y pentaploides) en su mayoría no lo hacen porque cuando se produce la meiosis (el imprescindible proceso de división celular mediante el cual se forman los gametos) la oosfera y las células que la rodean no se forman y el óvulo resulta pequeño, blando e irrelevante. 

Figura 2. Las plantas que crecen a partir de semillas triploides crecen normalmente, pero son estériles. El polen de una planta diploide se usa para estimular del desarrollo de la fruta, pero las semillas nunca se desarrollan.

Cómo conseguimos triploides

Los triploides sin semillas no se encuentran en las sandías naturales. Si es así, ¿cómo se consiguen plantas triploides a partir de una especie diploide? Respuesta: Si queremos obtener sandías sin semillas hay que bombardear a las plantas hembra con cargas de polen: se formarán sandías, pero no semillas (Figura 2).

De esa forma se puede reunir un gameto haploide (n) típico de uno de los parentales (la planta hembra) y un gameto diploide (2n) de otro. Teniendo en cuenta que lo normal es que los gametos sean haploides, la forma más segura de producir gametos diploides es conseguirlo a partir de un parental tetraploide (4n). Recuerde que los poliploides pares, a diferencia de los triploides, pueden producir gametos funcionales por meiosis.

La primera publicación sobre la inducción química de la poliploidía conseguida con éxito la hicieron en 1937 dos genetistas, Blakeslee y Avery, quienes lograron inducir la duplicación de cromosomas aplicando en semillas o en plántulas un alcaloide vegetal llamado colchicina. Algunos de sus experimentos incluían de manera un tanto pintoresca un nebulizador «comprado en Woolworths por veinte centavos».

Lo que comenzó en Woolworths terminó salpicando en los periódicos poco después de que los sus descubrimientos se hicieran públicos. Los reportajes periodísticos fueron tan exagerados que el editor del Journal of Heredity, la revista en la que se presentó la publicación, tuvo que incluir un comentario al final del artículo para sofocar las «adhesiones excesivamente entusiastas» que provenían de «la ola de publicidad extrañamente [sic] engañosa distribuida por periódicos de Hearst» que publicaban resultados tales como bebés gigantes y trigos altos como pinos.

Dejando a un lado el periodismo amarillo, la colchicina es tóxica. Sin embargo, al igual que muchos venenos, sus propiedades son médicamente útiles en dosis bajas y los humanos aún la consumimos para la gota y otras enfermedades inflamatorias. La colchicina actúa interfiriendo la mitosis, el tipo de división celular que ocurre constantemente en nuestro cuerpo creando células idénticas para crecer y mantenernos, entre otras cosas. Antes de que las células se dividan, replican su ADN para que cada cromosoma contenga dos copias de todo el material genético. Una célula diploide se convierte en dos células diploides.

Las células tratadas con colchicina replican su ADN como de costumbre, pero no se dividen; simplemente continúan viviendo con las copias extra de sus cromosomas. Lo que Blakeslee y Avery identificaron fue la cantidad correcta de colchicina y el período de tiempo adecuado para prevenir la división celular e inducir tetraploidía, pero permitiendo que las células comenzaran a dividirse nuevamente poco después. 

Figura 3. Las semillas triploides de sandía se obtienen cruzando una planta materna tetraploide con una planta paterna diploide. Los embriones resultantes son triploides. Los frutos que contienen las semillas son tetraploides y no se comercializan como alimento. Las semillas triploides se cosechan para venderlas a los productores.

Con el protocolo correcto, las partes de la planta que se desarrollan después del tratamiento con colchicina, incluidas las flores, serán tetraploides. Las flores tetraploides producirán gametos diploides (a través de la meiosis) que se unirán con gametos haploides de plantas femeninas diploides para crear descendencia triploide.

Hitoshi Kihara no tardó en aplicar la nueva y prometedora técnica de la colchicina a las sandías, pero tardó un tiempo en perfeccionarla. Uno de los problemas que encontró es que las plantas tetraploides tienen algunas dificultades para producir gametos. Por lo tanto, lo que hizo Kihara y luego han seguido haciendo miles de agricultores es seleccionar las líneas tetraploides más fértiles en las que la meiosis es normal. Una vez seleccionadas, las líneas tetraploides se mantienen y se pueden propagar por semillas. No es necesario volver a utilizar colchicina, excepto para iniciar una nueva variedad tetraploide.

Las compañías de semillas usan plantas diploides para polinizar flores tetraploides que se convierten en frutos que contienen semillas con embriones triploides. Los aficionados que tienen huertos compran esas semillas para plantarlas como variedades sin semillas.

Cada vez más y más triploides

Gracias a la magia de la colchicina, se puede diferenciar fácilmente una sandía diploide de otra triploide. Si tiene semillas negras brillantes completamente desarrolladas, es un diploide. Si no es así, es un triploide.

Con muchas variedades sin semillas muy sabrosas disponibles, ¿por qué hay quien sigue cultivando sandías con semillas? Una razón es que las semillas triploides cuestan aproximadamente el doble que las semillas diploides porque las empresas comercializadoras necesitan recuperar la inversión en el desarrollo de líneas tetraploides y la producción anual de semillas.

Otra cuestión para considerar es el coste de oportunidad de cultivar variedades de sandía sin semillas. Junto a las plantas triploides, los agricultores tienen que plantar plantas diploides "polinizadoras", en una proporción de triploides de 2 a 1. Hacerlo asegura que haya suficiente polen depositado en los estigmas de las flores triploides para desencadenar la formación de frutos. Los agricultores no solo pagan más por las semillas triploides, sino que tienen que dejar espacio para que crezcan las plantas diploides. Su coste adicional a menudo se transfiere a los consumidores en el mercado y estos puede que no quieran pagar un precio más elevado.

Figura 4. Desde arriba a la izquierda, moviéndose en el sentido de las agujas del reloj, las etapas de creación de una sandía sin semillas. Para hacer una línea tetraploide, se aplica colchicina a las plántulas diploides. Se permite que la planta tetraploide resultante florezca y produzca semillas. Se plantan esas semillas y se seleccionan las mejores versiones durante varias generaciones para establecer una línea tetraploide sólida. Cada año, los productores de semillas fertilizan las plantas tetraploides con polen de plantas diploides para crear semillas triploides. Las semillas triploides se venden a los agricultores como variedades sin semillas. Estas plantas deben ser polinizadas por una planta diploide para producir la fruta que comemos.

Pensar en las abejas

Ahora, tengamos en cuenta a las abejas. Un estudio reveló que las abejas tienen que visitar una flor triploide de 16 a 24 veces antes de que produzca un buen fruto. Eso es el doble de visitas de las que requiere una variedad con semillas. Puede que los humanos hayamos escapado de la pesadilla de una plaga de orugas carnívoras de varios metros de largo, pero para las abejas las flores triploides son un problema serio y, dado su trabajo polinizador y melífero, será mejor que hagamos todo lo posible para mantenerlas felices, sanas y abundantes.