Análisis de la aplicación de genómica en la restauraciónecológicahttps://doi.org/10.47230/agrosilvicultura.medioambiente.v1.n2.2023.74-82Revista Agrosilvicultura y MedioambienteVolumen 1, Número 2, 2023Universidad Estatal del Sur de ManabíISSN-e:2960-8139Analysis of the application of genomics in ecologicalrestorationAgrosilvicultura y MedioambienteUNIVERSIDAD ESTATAL DEL SUR DE MANABÍVolumen:1Número:2Año:2023Paginación:74-82URL:https://revistas.unesum.edu.ec/agricultura/index.php/ojs/article/view/22*Correspondencia autor:c.catagua01@ufromail.clRecibido:28-08-2022Aceptado:06-11-2023Publicado:20-12-2023Cristhian Leoncio Catagua Durán1https://orcid.org/0000-0002-0016-1301Jessica Jessenia Moran Moran2https://orcid.org/0000-0002-6487-1038Molina Valdiviezo Olga Jelena3https://orcid.org/0000-0002-9933-71851.Doctorado en Ciencias de Recursos Naturales, Universidad de La Frontera, avenida Francisco Salazar 1145, Temuco, LaAraucanía, Chile.2.Universidad Estatal del Sur de Manabí, Facultad de Ciencias Naturales y de la Agricultura, Carrera Agropecuaria, Jipijapa,Ecuador.3.Magíster en Gestión Ambiental, Pontificia Universidad Católica del Ecuador: Sede Manabí, Departamento de Seguridad ySalud Ocupacional, Ciudadela 1ero de Mayo, Portoviejo, Ecuador.ARTÍCULO DE REVISIÓN
RESUMENLos ecosistemas están expuestos a diferentes presiones, tanto de origen natural como antrópico, afectando labiodiversidad y disminuyendo las funciones de los servicios ecosistémicos, la restauración mediante progra-mas ha mostrado deficiencias en los ecosistemas fragmentados, al respecto diferentes estudios han demos-trado que la aplicación de genómica puede aumentar las probabilidades de restauración. La presente revisióntuvo como objetivo analizar la aplicación de genómica en la restauración ecológica, las técnicas genómicasofrecen lo necesario para potencializar los organismos vivos para la restauración de ecosistemas y funcionesecológicas, mediante las herramientas genómicas de poblaciones acceden al estudio de mejoramiento delgenotipo y la representación del genoma, meta-ómica permite caracterizar diferentes grupos taxonómicosmediante la secuenciación de ADN o ARN, la edición del genoma atribuye la modificación y potencializaciónde nuevos genotipos obteniendo la capacidad de mejorar las probabilidades de regeneración en un ecosis-tema perturbado de acuerdo a los objetivos del programa de restauración, en conclusión la genómica parala restauración ecológica tiene el potencial para regenerar los ecosistemas afectados por disturbios, aunquepuede presentar limitaciones en función a procedimientos logísticos, adquisición de equipos tecnológicos,incluso con el genotipo del organismo vivo, y transmisión de patógenos.Palabras clave:Edición del genoma, disturbios, genes, genomas, meta-ómica, regeneración ecológica.ABSTRACTEcosystems are exposed to different pressures, whether of natural or anthropic origin, affecting biodiversityand decreasing the functions of ecosystem services, restoration through programs have shown deficienciesin fragmented ecosystems, while different studies have shown that the application of genomics can increasethe chances of restoration. The present review aimed to analyze the application of genomics in ecologicalrestoration, genomics techniques offer what is necessary to potentiate living organisms for the restoration ofecosystems and ecological functions, through the tools of genomics of populations accesses the study of im-provement of the genotype and the representation of the genome, meta-omics allows to characterize differenttaxonomic groups through the sequencing of DNA or RNA, genome editing attributes the modification andpotentiation of new genotypes obtaining the ability to improve the probabilities of regeneration in a disturbedecosystem according to the objectives of the restoration program,In conclusion, genomics for ecologicalrestoration has the potential to regenerate ecosystems affected by disturbances, although it may present limi-tations depending on logistical procedures, investments in the acquisition of technological equipment, evenwith the genotype of the living organism, transmission of pathogens.Keywords:Genome editing, disturbances, genes, genomes, meta-omics, ecological regeneration.
76Agrosilvicultura y MedioambienteVolumen 1, Número 2, 2023IntroducciónEl vínculo que tiene la naturaleza con el de-sarrollo de la sociedad en el mundo ha evi-denciado el agotamiento y degradación delos recursos naturales, debido a las activi-dades antrópicas que afectan a los ecosis-temas, de tal forma, fomentar el desarrollosostenible no es suficiente cuando los eco-sistemas son deteriorados (La Notte & Mar-ques, 2019). Los ecosistemas son espaciosfrágiles y son considerados vulnerables adiferentes amenazas de origen antrópico ynatural, la intervención humana en los eco-sistemas ha representado detonantes parala alteración ecosistémica (Ciocăneaet al.,2019).En este contexto, surge la necesidad de im-plementar alternativas para la restauraciónde los ecosistemas considerando la genó-mica y su efecto en la restauración de losecosistemas. La restauración de ecosiste-mas ha incursionado dentro de la toma dedecisiones para restaurar la composiciónde las comunidades bióticas ante las per-turbacionesocasionadasseanestasdeorigen antrópico o natural (Carlucciet al.,2020), desde la perspectiva ecológica hayque considerar los sistemas ecológicos ysi la restauración es positiva o negativa, loque nos lleva a la siguiente pregunta ¿Cuáles el efecto de la restauración ecológica enla biodiversidad nativa sobre todos los ni-veles tróficos?, y aunque suene ambicioso,investigaciones futuras deben considerar elestudio de estos efectos desde la perspec-tiva espacio y tiempo de recuperación.La restauración de los ecosistemas tiene elobjetivo de revenir la degradación ocasio-nada por las perturbaciones, se ha eviden-ciado la utilización de genómica en progra-mas de restauración, siendo eficientes enlos procesos de recuperación (Woodet al.,2020). La degradación de los ecosistemasno solo afecta a la biodiversidad endémicadel área afectada, también genera pérdidasecosistémicas influyendo en la disminuciónde recursos para la sociedad a escala localy mundial (Leeet al., 2021).Existen estudios en donde se utiliza la ge-nómica para asistir a la restauración ecoló-gica incorporando no solamente el macro-bioma sino también el microbioma para unaexitosa restauración, respaldando muchasfuncioneseinteraccionesecosistémicas(Cando-Dumancelaet al., 2021) y la apli-cación de ecosistemas de referencia paraevaluar la degradación de los ecosistemasy sus respectivos indicadores ecosistémi-cos (Gwenzi, 2021).En este estudio se consideró como objeti-vo analizar la aplicación de genómica en larestauración ecológica.MetodologíaPara realizar el análisis correspondiente alos objetivos de esta investigación se utiliza-ron recursos bibliográficos disponibles endistintosrepositorioscientíficosacadémi-cos disponibles de libre acceso digital, porlo que se consiguió una cantidad relevantede información que a través del resumen ysíntesis del contenido de cada uno se cons-truye el apartado de resultados que contie-ne la información suficiente para exponer laaplicación de genómica en la restauraciónecológica.ResultadosAcorde a los disturbios antrópicos o natura-les, la fragmentación de los ecosistemas y labiodiversidad está fuertemente relacionadaa los cambios globales; la genómica tiene lafunción de estudiar el genoma de un indivi-duo, pero a la vez la aplicabilidad de la in-formación obtenida (Rico, 2021), aunque laaplicabilidad de la genómica va a dependerde las características que tenga el ecosis-tema y el disturbio para la restauración delecosistema afectado. En congruencia conlo anterior se aborda la siguiente pregunta¿Cuál es el potencial de la genómica en larestauración ecológica?Se tiene que dejar claro que el disturbio estoda acción que puede generar desequili-brio afectando la estructura ecológica con-Catagua Durán, C. L., Moran Moran, J. J., & Olga Jelena, M. V.
77Agrosilvicultura y MedioambienteVolumen 1, Número 2, 2023siderando variables de tiempo y espacio(Sasakiet al., 2015; Xieet al., 2019), mien-tras que recuperación de ecosistemas estáasociado con la restauración que incluyeprocesos que consisten en devolver el eco-sistema afectado a su estado inicial o algocercano ( McIntoshet al., 2019; Dickman,2021).Las tecnologías actuales en genómica hanpermitido incursionar en la restauración deecosistemasparasuposteriorconserva-ción, las técnicas empleadas como la genó-mica de poblaciones, metaómica, edicióndel genoma, tienen la capacidad de gene-rar estudios centrados en la manipulacióny modificación de organismos resistentesa diferentes condiciones de estrés (Nawaz& Satterfield, 2022), se ha documentado elalcance potencial en diferentes aplicacio-nes acorde al objetivo de conservación yrestauración,enfrentandosituacionesur-gentes en un mundo cambiante en dondese requieren sistemas eficientes que per-mitan la recuperación de los ecosistemas,biodiversidad, y los servicios ecosistémicos(Lengefeldet al., 2022).Genómica de poblacionesLa aplicación de genómica en poblacionespuede generar información basada en se-cuenciación del genoma del organismo mo-delo para potenciar la resiliencia, a su vezlas muestras mediante marcadores molecu-lares proporcionan una mayor resolución dela diversidad funcional y genética (Breedetal., 2019).El uso de la genómica de poblaciones paraprocesos de restauraciónen el caso delas especies vegetales consiste en incur-sionar en plantas nativas de un ecosistematerrestre con disturbios, aunque se tieneque considerar que, mientras exista altera-ciones en la zona afectada la recolecciónde plantas modelos puede estar alterada loque sería una opción poco factible para larestauración, mientras que las condicionesasociadas al clima, estructura del suelo,microbiota, patrones espaciales, extensióngeográfica, serian variables a considerar enlos estudios previos en los programas derestauración (Walterset al., 2022).En este contexto, la genómica de poblacio-nes proporciona datos permitiendo que laadaptación de las especies forestales brin-de información basada en decisiones detransferencia de la semilla; el proceso desecuenciación realiza la representación delgenoma objetivo, proporcionando informa-ción sobre los mecanismos de adaptaciónde la especie (Cooke & Suski, 2008; Unge-reret al., 2008; Liet al., 2019).EnelestudiodeCordeiroetal.,(2019)evaluó la viabilidad genética en la especieCentrolobium tomentosumen la Mata Atlán-tica brasileña generando 2 877 marcado-res de poliformismo de un solo nucleótido,demostrando el aumento del flujo genéticoen áreas restauradas teniendo un impactopositivo para las zonas afectadas en SaoPaulo, demostrando a la vez un aumentosatisfactorio en las poblaciones de árbolesreintroducidos aumentando las capacida-des de los programas de restauración.La genómica poblacional aplicada al árboltropicalCentrolobium tomentosumdemos-tró una alta diversidad genética, estructurade la población, organización y las subdivi-siones genéticas. Estas caracteristicas hanpermitido identificar mecanismos de adap-tación en la especie vegetal en relación alentorno tropical, incluyendo resistencia aenfermedades e incluso tolerancia a estre-ses por diferentes factores abióticos.En el estudio de Pampínet al., (2023) identi-ficó 9 154 marcadores de polimorfismos deun solo nucleótido para restaurar lechos deberberechos (Cerastoderma edule) en Gali-cia – España utilizando un enfoque de ge-nómica poblacional. Evidenció la diversidady estructura genética incluyendo diferentesmarcadores de polimorfismo de un solo nu-cleótido, mediante este enfoque identifica-ron marcadores atípicos en relación con laMarteilia cochillia.ARTÍCULO DE REVISIÓN:ANÁLISIS DE LA APLICACIÓN DE GENÓMICA EN LA RESTAURACIÓN ECOLÓGICA
78Agrosilvicultura y MedioambienteVolumen 1, Número 2, 2023Meta-ómicaLos procesos de la meta-ómica permiten lacaracterización y cuantificación de los gru-pos taxonómicos con mayor rapidez y pre-cisión en el estudio de secuenciación delADN o ARN ambiental (Stecet al., 2017).Lamicrobiotadelsueloesfundamentalpara la restauración, está relacionada conlas funciones del ecosistema, siendo indi-cadores eficientes para la evaluación eco-lógica del área afectada (Mei & Liu, 2022).Los procesos metaómicos son ideales parael monitoreo de organismo eucariotas aun-que son más eficientes cuando se empleanorganismos procariotas, la metaómica hademostrado gran utilidad en la cuantifica-ción y caracterización de organismos vivos,permitiendo evaluar y monitorear las áreasque han sido degradadas por disturbios. Al-gunos ejemplos aplicados en la microbiotadel suelo se realizan mediante la cuantifi-cación de la diversidad biológica utilizan-do metabarcodes, la caracterización de lostaxones puede resultar efectivos en la res-tauración ecológica mediante el estudio degenes marcadores (Breedet al., 2019).Edición del genomaActualmente los ecosistemas terrestres es-tán fragmentados debido a las actividadesantropogénicas, a pesar del estrés que haprovocado, el cambio climático es otro fac-tor a considerar, ya que puede alterar el ge-notipo de la especie vegetal lo que influiríaen una restauración exitosa, haciendo ne-cesario el uso de nuevos genotipos parainsertarlos en programas de restauraciónecológica (Song & Mitchell-Olds, 2011; deWit, 2020).La edición del genoma permite potenciali-zar nuevos genotipos de forma eficiente yeconómica, en el caso de especies vegeta-les puede generar cambios en la fisiologíaque le permita resistir condiciones de es-trés, y aplicarlas en la restauración acordea las modificaciones genéticas de las po-blaciones (Phelpset al., 2020). Sin embar-go, a pesar de ser una técnica factible laproyección que tiene hacia la restauraciónrequiere de estudios que permitan validarsu integración de forma segura y óptima enla restauración (Chenet al., 2023).Según Martínet al., (2015) generar nuevosgenotipos permitirá restaurar sitios desa-fiantes y conservar los rasgos existentes delgen local, pero requiere de estudios sobrelos genes y rasgos desde un contexto derestauración ecológica.Se ha establecido en diferentes estudios laaplicabilidad de las herramientas genómi-cas en diferentes campos de estudios, de-mostrando el potencial y la eficiencia para larestauración de los ecosistemas (Saati-San-tamaríaet al., 2022). Según Heuertzet al.,(2023) la aplicación de genómica es fun-damental para conservar los ecosistemasybiodiversidad,mejorandolaresilienciade las poblaciones, y las comunidades quesustentan las funciones ecosistemáticas.A pesar del potencial que tiene la genómi-ca para la restauración de los ecosistemasexisten limitaciones como la elección de laespecie endémica – emblemática, adapta-bilidad, variedad metabólica, la ubicaciónde la perturbación, el impacto ocasionado,condicionesdecampo,limitacionesqueimpiden que la restauración sea exitosa,aunque estas limitaciones han presentadodesafíos, el estudio del potencial de la ge-nómicahaaumentadosignificativamentepara resolver problemas medio ambientales(Baxter & Danforth, 2023; Hassan & Ganai,2023; Pampínet al., 2023; Websteret al.,2023).Investigacionessobrelaaplicacióndegenómica en la restauración ecológicaKoskelaet al., (2014) argumenta que la uti-lización de germoplasma ha permitido laincorporación de especies forestales condiferentes propósitos, sea de aprovecha-miento,recursogenético,conservaciónde semillas, restauración ecológica, entreCatagua Durán, C. L., Moran Moran, J. J., & Olga Jelena, M. V.
79Agrosilvicultura y MedioambienteVolumen 1, Número 2, 2023otros, siendo ideal el estudio de la genómi-ca para la potencialización de los organis-mos vivos considerando los ecosistemasreferenciales,funcionalesy/oadaptadospara el futuro, comprendiendo el manejo ygestión en la conservación del ecosistema,biodiversidad y servicios ecosistémicos.Van der Heydeet al., (2020) demostró quemediante secuenciación puede mejorar lacomprensión de la microbiota en asocia-ción de la restauración de sitios que hansido afectados por la extracción de mine-rales, evidenciando cambios direccionalesde la microbiota lo que la convierte en unindicador a considerar en programas derestauración ecológica.Aaviket al., (2021) en su estudio conside-ró la diversidad genética asociada a lasplantas nativas y el rol de las interaccionescon los microorganismos como los hongosmicorrízicos arbusculares, por el potencialque tiene en las plantas y la forma de tole-rar el estrés combinado, siendo ideal parala restauración de zonas afectadas por al-guna perturbación ecológica.Wrightetal.,(2022)demostrómediantemétodos de translocación enRattus fusci-pespara restaurar poblaciones que fueronafectadas por el estrés antrópico, su utili-dad para la conservación de esta especiede roedor, siendo esencial para la restaura-ción si se consideran la mayor cantidad demuestras genéticas para los programas deconservación.En el estudio de Papiket al., (2023) median-te la aplicación de secuenciación de am-plicones de alto rendimiento, identificó lascaracterísticas de la diversidad procariotaen asociación a las plantas de gramíneascomotratamientodefitorremediaciónensuelos contaminados por hidrocarburos depetróleo en áreas sub árticas.Los análisis realizados sobre el potencialque tiene la genómica consolidan una he-rramienta eficiente para incorporarla en pro-gramas de restauración ecológica, aunquerequiere de más estudios si se consideravariables como la ubicación del umbral deafectación en el ecosistema, el organismomodelo,interaccionesecológicas,varia-bles climáticas, entre otros aspectos. Eneste estudio se consideró el potencial de lagenómica, demostrado su eficiencia en losprogramas de restauración, aunque surgenlas siguientes preguntas a considerar. 1)¿Qué implica la utilización de la genómicaen la restauración ecológica, considerandoriesgosdeincorporacióndeenfermeda-des patológicas, introducción de especiesexóticas, modificación genética de las es-pecies autóctonas en los ecosistemas porrestaurar? 2) ¿Cuál es el efecto en los orga-nismos vivos incorporados y por incorporaren el ecosistema recuperado? 3) ¿Qué re-lación tienen los ecosistemas recuperadoscomo corredores biológicos, funcionaríandespués de la recuperación?ConclusionesLos análisis realizados sobre la genómicay el potencial que tiene en la restauraciónecológica presentan ventajas al aumentarlas probabilidades de restauración en unecosistemafragmentadoporactividadesantrópicas o naturales, aunque puede pre-sentar desventajas si se consideran proce-dimientos logísticos como la inversión y efi-ciencia de los procesos, requiriéndose deestudios previos para la aplicación en pro-gramas de restauración ecológica.En el análisis de las herramientas genómi-cas como el genoma de poblaciones, me-ta-ómica y edición del genoma se tiene quedestacar la utilidad que tiene en programasde restauración ecológica, aunque se tie-ne que considerar los obstáculos como laadquisición de equipos tecnológicos, ca-pacitaciones técnicas para el estudio de laespecie modelo que contribuirá en la res-tauración de los ecosistemas y la biodiver-sidad influyendo en la conservación de losservicios ecosistémicos.A pesar de la utilidad de la genómica en larestauración ecológica, existen limitacionesARTÍCULO DE REVISIÓN:ANÁLISIS DE LA APLICACIÓN DE GENÓMICA EN LA RESTAURACIÓN ECOLÓGICA
80Agrosilvicultura y MedioambienteVolumen 1, Número 2, 2023asociadas con el genotipo del organismovivo,posiblesenfermedadespatógenas,incluso la alteración de algunos genes, lossesgos que ocasiona la utilización del PCR,la obtención de datos precisos, la localiza-ción del umbral de perturbación, el tiempoderecuperación,entreotros,aunqueelavance de la tecnología y estudios investi-gativos pueden solucionar las limitacionesa futuro.BibliografíaAavik, T., Träger, S., Zobel, M., Honnay, O., Van Geel,M., Bueno, C. G., & Koorem, K. (2021). The jointeffect of host plant genetic diversity and arbuscu-lar mycorrhizal fungal communities on restorationsuccess. Functional Ecology, 35(12), 2621-2634.https://doi.org/10.1111/1365-2435.13914Baxter, I., & Danforth, D. (2023). Inclusive collabora-tion across plant physiology and genomics: Nowis the time! Plant Direct, 7(5), 1-12. https://doi.org/10.1002/pld3.493Breed, M. F., Harrison, P. A., Blyth, C., Byrne, M., Ga-get, V., Gellie, N. J. C., Groom, S. V. C., Hodgson,R., Mills, J. G., Prowse, T. A. A., Steane, D. A.,& Mohr, J. J. (2019). The potential of genomicsfor restoring ecosystems and biodiversity. NatureReviews Genetics, 20(10), 615-628. https://doi.org/10.1038/s41576-019-0152-0Cando-Dumancela, C., Liddicoat, C., McLeod, D.,Young, J. M., & Breed, M. F. (2021). A guide tominimize contamination issues in microbiome res-toration studies. Restoration Ecology, 29(4), 1-7.https://doi.org/10.1111/rec.13358Carlucci, M. B., Brancalion, P. H. S., Rodrigues, R. R.,Loyola, R., & Cianciaruso, M. V. (2020). Functionaltraits and ecosystem services in ecological res-toration. Restoration Ecology, 28(6), 1372-1383.https://doi.org/10.1111/rec.13279Chen, L., Wang, G., Teng, M., Wang, L., Yang, F., Jin,G., Du, H., & Xu, Y. (2023). Non‐gene‐editing mi-crobiome engineering of spontaneous food fer-mentationmicrobiota-Limitationcontrol,designcontrol, and integration. Comprehensive Reviewsin Food Science and Food Safety, 22, 1902-1932.https://doi.org/10.1111/1541-4337.13135Ciocănea, C. M., Corpade, P. C., Onose, D. A., Vânău,G. O., Maloş, C., Petrovici, M., Gheorghe, C.,Dedu, S., Manta, N., & Szép, R. E. (2019). The as-sessment of lotic ecosystems degradation usingmulti-Criteria analysis and gis techniques. Carpa-thian Journal of Earth and Environmental Scien-ces,14(2),255-268.https://doi.org/10.26471/CJEES/2019/014/077Cooke, S. J., & Suski, C. D. (2008). Ecological restora-tion and physiology: An overdue integration. BioS-cience, 58(10), 957-968. https://doi.org/10.1641/B581009Cordeiro, E. M. G., Menezes, C., Patricia, M., Sujii, S.,Dias, K., Baldin, J., Ricardo, P., Rodrigues, R.,Brancalion, P. H. S., & Zucchi, M. I. (2019). Diver-sity , genetic structure , and population genomicsof the tropical tree Centrolobium tomentosum inremnant and restored Atlantic forests. Conser-vationGenetics,20(5),1073-1085.https://doi.org/10.1007/s10592-019-01195-zde Wit, M. M. (2020). Democratizing CRISPR? Stories,practices, and politics of science and governan-ce on the agricultural gene editing frontier. Ele-menta, 8. https://doi.org/10.1525/elementa.405Dickman, C. R. (2021). Ecological consequences ofAustralia’s “Black Summer” bushfires: Managingfor recovery. Integrated Environmental Assess-ment and Management, 17(6), 1162-1167. https://doi.org/10.1002/ieam.4496Gwenzi, W. (2021). Rethinking restoration indicatorsand end-points for post-mining landscapes in lightof novel ecosystems. Geoderma, 387, 114944. ht-tps://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.114944Hassan, S., & Ganai, B. A. (2023). Deciphering therecent trends in pesticide bioremediation usinggenomeeditingandmulti-omicsapproaches:a review. World journal of microbiology & biote-chnology,39(6),151.https://doi.org/10.1007/s11274-023-03603-6Heuertz, M., Carvalho, S. B., Galindo, J., Rinkevich, B.,Robakowski, P., Aavik, T., Altinok, I., Barth, J. M.I., Cotrim, H., Goessen, R., González-Martínez, S.C., Grebenc, T., Hoban, S., Kopatz, A., McMahon,B. J., Porth, I., Raeymaekers, J. A. M., Träger, S.,Valdecantos, A., … Garnier-Géré, P. (2023). Theapplication gap: Genomics for biodiversity andecosystem service management. Biological Con-servation, 278(January). https://doi.org/10.1016/j.biocon.2022.109883Koskela, J., Vinceti, B., Dvorak, W., Bush, D., Dawson,I. K., Loo, J., Kjaer, E. D., Navarro, C., Padolina,C., Bordács, S., Jamnadass, R., Graudal, L., &Ramamonjisoa, L. (2014). Utilization and trans-fer of forest genetic resources: A global review.Forest Ecology and Management, 333, 22-34. ht-tps://doi.org/10.1016/j.foreco.2014.07.017La Notte, A., & Marques, A. (2019). Adjusted macro-economic indicators to account for ecosystemCatagua Durán, C. L., Moran Moran, J. J., & Olga Jelena, M. V.
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