Inducción de
mutantes con MSE y cruzamiento de Lupinus mutabilis M3 x Lupinus
exaltatus para la obtención de segregantes con bajos niveles de alcaloides
Charlie Andrade 1, Vladimir Cali 1, Karem Escobar 1, Anabel González 1, y Gina Velastegui 1
1
Estudiantes de pregrado de la Facultad de Ciencias Agrícolas de la Universidad
Central del Ecuador
1.
INTRODUCCIÓN
El
chocho es una leguminosa importante para la alimentación andina ecuatoriana de
los pequeños y medianos agricultores, debido a que contiene altos contenidos de
proteína 50%, grasas no saturadas 20.4%, además vitaminas (niacina y
tiamina) y minerales como calcio, fosforo y hierro (Hatzold, Elmadfa,
& Gross, 1983; Yumbla, 2006).
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general:
Obtener
variedades de chocho (Lupinus mutabilis var. INIAP450 Andino) con
bajos niveles de alcaloides.
2.2 Objetivos
específicos:
Inducir
mutantes de L. mutabilis (INIAP 450 Andino) con MSE 0.04 M
3. PROBLEMA DE ESTUDIO
Bajar
los alcaloides lleva varios problemas como en la parte
nutricional disminuiría la proteína, porque
al desamargar las semillas de chocho, residuos de los alcaloides
pasan a formar parte de la proteína, y así aumentan su valor
nutricional (Jacobsen & Mujica, 2006). En la parte fisiológica de
la planta la formación de estos compuestos está presente desde su desarrollo
hasta la fructificación, teniendo defensa propia, pero al llegar a la senescencia la familia de Lupinus envía los
alcaloides a sus semillas para protección de su progenie (López, Macías, &
Pérez, 2006).
4.
HIPÓTESIS
¿Se podrá obtener segregantes con niveles inferiores de alcaloides a 3,92% utilizando el método de inducción de mutantes con (MSE) en INIAP450, con la intervención de un cruzamiento por el método de emasculación y fecundación en Lupinus mutabilis M3 y Lupinus exaltatus?
5.
MARCO
TEÓRICO
5.1 Cultivo de Lupinus para su consumo
El cultivo de Lupinus mutabilis es altamente comercializado en la región andina, presenta un alto contenido de proteína, aceite y nutrientes que le hace apetecible para el consumidor, no es un cultivo exigente por lo que no requiere una inversión alta y se adapta, incluso, a suelos arenosos y erosionados. Otra ventaja que tiene es la simbiosis con los rizomas que forma nódulos en las raíces por lo cual, fija nitrógeno al suelo (Márquez, 2016).
5.2 Alcaloides en la planta Lupinus
Los alcaloides son metabolitos secundarios sintetizados por las plantas, a partir de aminoácidos, que tienen en común su hidrosolubilidad a pH ácido y su solubilidad en solventes orgánicos a pH alcalino (Cloroformo, éter, alcohol, entre otros.). En el chocho se encuentran los alcaloides quinolizidina que proviene de la lisina y se pueden dividir en lupanina, cistsina y esparteína (Villacrés, et al, 2009). Existen formas de bajar el contenido de los alcaloides, que va desde procesos tecnológicos que resultan enérgicos o por métodos costosos, e incluso, esfuerzos de domesticación que va dirigida a bajar, seleccionar y producir variedades no amargas de chocho.
5.3 Función de los alcaloides en la planta Lupinus
La semilla
de Lupinus tiene una gran
cantidad de alcaloides que varía de 0,02 a 4,45%, mediante la presencia de estos alcaloides la planta se protege de herbívoros, y en caso de
condiciones extremas, brinda nutrientes para la germinación. Siendo la lupanina el más
predominante, con una proporción de 1-4% cuando el grano es recién cosechado
generando el sabor amargo (Villacres, et al, 2009). Los alcaloides
están localizados en los tejidos periféricos de los diferentes órganos de la
planta, como son: semillas, corteza del tallo, raíz o fruto y en la epidermis
de la hoja, cumpliendo una importante función de protección para las plantas
por su sabor amargo, reduciendo el ataque de insectos (Fernández, 2017).
5.4 Fitomejoramiento en L.mutabilis para bajar el nivel de alcaloides
El desafío es obtener variedades resistentes
a las plagas y enfermedades con bajos niveles de alcaloides. Por tanto, la domesticación deberá dirigirse hacia
la selección de las variedades que almacenan alcaloides en sus tejidos a
excepción de la semilla o la selección de variedades con metabolitos
secundarios adicionales que estén involucrados en la resistencia (Peralta,
et al, 2015).
Las
variedades con bajo contenido de alcaloides se han obtenido por dos caminos:
5.5 Inducción de mutaciones para bajar el contenido de alcaloides
Para inducir a estas mutaciones se usa el MSE (metasulfonato de etilo). Su mecanismo de acción se debe al grupo etilo presente en su estructura, que, debido a su actividad alcalina, elimina el nitrógeno de la guanina, determinando un cambio en la secuencia de las bases y eso hace que no se aparea con la citosina provocando la transición GC > AT (Delgado, 1970).
Cuadro
1. Evidencias del mejoramiento de Lupinus
1. MATERIALES Y MÉTODOS
1.1
Material
Se conseguirá 150 semillas de calidad de cada variedad obtenida de los bancos de germoplasma. Las características de las variedades se mencionan en el Cuadro 2.
Cuadro 2. Características de sector donde se realizará la investigación
Lupinus
mutabilis
INIAP 450 andino |
Lupinus exaltatus
|
Las semillas
de L. mutabilis INIAP 450 van a ser conseguidas de la Estación Experimental
Santa Catalina ubicada en la provincia de Pichincha. En el sector Cutuglahua. Características Alcaloides 3,92%Número
de vainas en el eje central 10 a 14 Susceptible
a plagas y enfermedades foliares y radiculares Cant.
De semilla por ha: 60-80kg de semilla (1-2qq). |
Las
semillas de L. exaltatus van a ser conseguidas en el Colegio de
Postgraduados, Montecillo, Estado de México. Características Alcaloides 1,95% Resistente a plagas y enfermedades foliares
y radiculares |
1.1
Modelo
del diseño
La metodología experimental de la
investigación consistió en 8 fases descrito en el Cuadro 3 y se procedió de la
siguiente manera:
Cuadro 3. Esquema de Mejoramiento Genético por
inducción de mutantes y cruzamientos interespecíficos.
Fase |
Generación |
Observaciones |
I |
|
Semillas
de L.mutabilis INIAP450 sometidas
mutágeno MSE 0.04 M por 12h. Selección por aspectos agronómicos y niveles de
alcaloides en tallos, hojas. En fase de cosecha. Crianza hasta la obtención
de semillas para la generación (M1) |
II |
M1
hasta el M3 |
Plantas
desarrolladas a partir de semillas tratadas con MSE, mediante propagación
vegetativa. Selección por aspectos agronómicos y niveles de alcaloides en
tallos, hojas. Para que se auto fecunde así mismo para estabilizar la
mutación. En fase de cosecha. Obtención de semillas para la generación (M2) y
después (M3). |
III |
M3
x L. exaltatus |
La
población (M3) ya crecida. Se selecciona
los progenitores para realizar los cruzamientos M3 (A) Recurrente
x Donante L. exaltatus (B) para obtener semillas F1. |
IV |
F1
x M3 |
Las
semillas sembradas se les cultiva y en floración se realiza un
Retrocruzamiento con el recurrente (M3). Para obtención de semilla (Bc-1) |
V |
BC-1
x M3 hasta el BC-7
|
Primera
generación de (BC-1), desechar los individuos con alto contenido de
alcaloides > 2 % (2 g/100g) en las hojas en la fase floración. Retrocruzamiento recurrente. BC1 se cruza
con M3 para obtención de semilla.
Continuar con hasta BC-7. Reducción del Genoma del donante B |
VI |
BC-7
x BC-7 |
Autofecundación,
selección de individuos con contenido de alcaloides < 3.5 % en semillas
(Método de Von Baer). Banco de Germoplasma para futuras mejoras. |
1.1 Fase I
Se colectará 150 semillas de L.mutabilis INIAP450 del banco de
germoplasma y se distribuirá 50 semillas en tres camas.
1.1.1
Tratamientos de semillas de Lupinus
mutabilis tratadas con meta sulfonato de etilo
Se
prepararon concentraciones del reactivo MSE (C3 H8O3 S) con 0,04 M para tratar
150 semillas L.mutabilis (INIAP 450).
El MSE es un agente alquilante con una eficacia mutagénica, demostrada en
varios organismos experimentales.
Cuadro 4. Manejo
de cultivo de chocho.
Preparación del suelo
Rastrado,
arado y surcado con tractor con una aplicación de 4 toneladas de estiércol/ha.
Siembra
Distancia
entre surcos 60 u 80 cm, distancia entre sitios 30 cm, numero de semillas por
sitio 3, cantidad de semilla/ ha 53 a 40kh/ha.
Fertilización
Se
utiliza 30 a 60 kg/ha de P2O5 (Fósforo) al momento de la siembra se
incorporación de 65 a 130 kg/ha de 18-46-00 y una aplicación foliar con 2
kg/ha de Librel-BMX.
Deshierbe
Se
lo realiza a los 45 o 60 días eliminando malezas contribuyendo a la aireación
del suelo y evitando el volcamiento de las mismas.
1.1.1
Selección de plantas
Cuadro 5. Características para la selección de las plantas.
|
Malo |
Medio |
Bueno |
Vigor |
Tallos débiles, hojas amarillentas |
Semi caída y semifrondosa |
Verde y frondosa |
Largo
de la Inflorescencia |
7 cm |
14 cm |
28 cm |
Número
de vainas por planta |
0 a 7 |
8 a 19 |
20 a 28 |
Número de semilla por vainas |
0 a 3 |
4 - 5 |
6 a 8 |
Resistencia a plagas |
Susceptible |
Ligeramente tolerante |
Tolerante |
Cuadro 6.
Clasificación del chocho según su porcentaje de alcaloides en hojas.
Chocho
amargo (alto) % |
Chocho
Dulce (bajo) % |
> 2 |
< 2 |
Cuadro 7. Extracción
de alcaloides quinolizidínicos y su cuantificación relativa mediante el método
de Von Baer
Semillas |
Planta |
|
Las semillas se molarán y tamizarán apartarte un tubo
cónico de centrifuga. Se pesará 0.2 g de muestra molida. A continuación, se agregará 0.6 g de óxido
de aluminio y 0.2 mL de KOH al 15%, los cuales se mezclarán para obtener una
pasta homogénea. Seguidamente se agregará 6 mL de cloroformo
los cuales se centrifugarán por 10 minutos en una centrifugadora International
Centrifuge a 350 revoluciones por minuto. Luego se recibirá la fase clorofórmica en
vasos de precipitación de 50 mL, provistos de embudos con algodón en la base
del cono. Se repetirá las extracciones
aproximadamente 10 veces, se recogerá los lavados y se procederá a
evaporarlos con calor suave (40ºC) sin llegar a sequedad, dejando en la etapa
final 1 mL. Después, de que haya desaparecido el 1 mL
de los lavados, se agregara 5 mL de H2SO4 0.01 N y dos gotas de rojo de
metilo, se titulara el exceso de ácido con NaOH 0.01 N. |
Las semillas se molarán y tamizarán
apartarte un tubo cónico de centrífuga. Se pesará 0.2 g de muestra molida. A continuación, se agregará 0.6 g de óxido
de aluminio y 0.2 mL de KOH al 15%, los cuales se mezclarán para obtener una
pasta homogénea. Seguidamente se agregará 6 mL de cloroformo
los cuales se centrifugarán por 10 minutos en una centrifugadora
International Centrifuge a 350 revoluciones por minuto. Luego se recibirá la fase clorofórmica en
vasos de precipitación de 50 mL, provistos de embudos con algodón en la base
del cono. Se repetirá las extracciones
aproximadamente 10 veces, se recogerá los lavados y se procederá a
evaporarlos con calor suave (40ºC) sin llegar a sequedad, dejando en la etapa
final 1 mL.
|
|
%
𝐴𝑙𝑐𝑎𝑙𝑜𝑖𝑑𝑒𝑠 = 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻
0.01𝑁 𝑥
0.01𝑁𝑥248𝑔/Pm mL NaOH = Volumen gastado
de titulante 0.01N = Concentración
exacta de NaOH 248g = Peso molecular de
la lupanina Pm = Peso de muestra (g) |
1.1 Fase II generación (M1) hasta (M3)
De
las semillas M1 obtenidas de la Fase I se escogen 150 semillas y se siembran
distribuidas 50 semillas en cada cama.
Para los cuidados de las plantas hasta la
floración esta descrito en Cuadro 4. Para la selección de las plantas se sigue
en mismo proceso descrito en la sección 6.3.2.
Posteriormente se etiquetará con una cinta
roja (no aceptadas) y azul (aceptabas) para conseguir semilla (M2) y se realiza
todo el proceso antes dicho hasta obtener el (M3) para estabilizar a mutación.
1.2 Fase III M3 x L. exaltatus
De
las semillas (M3) obtenidas de la Fase II se escogen 150 semillas y se siembran
distribuidas 50 semillas en cada cama, paralelamente en invernadero se sembrará
las semillas de L. exaltatus para que coincida el estado fenológico de
floración con el (M3).
Para los cuidados de las plantas hasta la
floración esta descrito en Cuadro 4. Se seleccionarán siguiendo el criterio de
la sección 6.3.2. Posteriormente se etiquetará con una cinta roja (no
aceptadas) y azul (aceptabas) a las plantas de L. exaltatus para la
obtención de polen y L mutabilis que van a ser emasculadas y fecundadas.
El proceso de emasculación y fecundación se explica en el Cuadro 9. Después del
cruzamiento, se espera hasta la formación de las vainas y se cosechará las
vainas para obtener semillas F1 del cruzamiento de M3 x L.exaltatus. Con
la F1 se pasa a la Fase IV.
Cuadro 9. Realización de
los cruzamientos
Emasculación
|
Fecundación
|
Elección de una inflorescencia fuerte y
sana de 15 o más flores. Eliminación de aquellas flores cuyos
estambres ya están maduros, es decir presentan polen de color naranja. Eliminación de las flores o yemas que aún
no se han desplegado. Por inflorescencia se pueden mantener 5 a
10 flores, cuyos estambres aun estén verde-claro, sin polen maduro. En las flores elegidas, se procede a
realizar un corte basal en la quilla mediante la punta de una pinza. Eliminación de los estambres a través del
corte anterior mediante pinzas, tratando de no dañar el pistilo y eliminando
todo residuo de estambre. La inflorescencia emasculada se cubre
mediante una bolsa de papel grasa o emasculada, anotándose en ella el número
de la combinación y la fecha de la emasculación. En la misma planta o una vecina, es
conveniente marcar una inflorescencia de igual desarrollo. |
A los dos a cuatro días, de acuerdo con el
clima, se procederá a observar las flores marcadas, examinando si sus
estambres tienen polen maduro, en caso positivo se procede a realizar la
fecundación. Se recolectarán estambres con polen maduro
de las flores de las plantas padre de la capsula de vidrio. Después de verificar en la planta madre el
aislamiento, se procede a sacar la bolsa. Los estambres recolectados son depositados,
por el corte de la quilla en las flores madre. Nuevamente se recubre la inflorescencia con
la bolsa, en caso de clima muy seco, es necesario incluir una hoja dentro de
la bolsa aislante. Doblando la bolsa en su base, y cerrando
con un clip, para mantener una humedad alta.
|
1.1 Fase IV F1 x M3
Las semillas F1 del cruzamiento de M3 x L.exaltatus.
se les siembra, se les da los cuidados del cultivo descrito en el Cuadro 4 y
paralelamente se siembra las semillas M3 guardadas. Para seleccionar las
plantas se sigue el criterio descrito en la sección 6.3.2 y obtener polen para
realizar el retrocruzamiento.
La selección de las plantas F1 se realizará
en floración, se tomará en cuenta las características anteriormente dichos en
la sección 6.3.2. Posteriormente se etiquetará con una cinta roja (no aceptadas)
y azul (aceptabas) las plantas.
En floración las plantas seleccionadas con la
cinta azul se realizan un Retrocruzamiento con el polen de (M3). Para la
obtención de semilla (BC-1). El proceso para el retrocruzamiento será por
emasculación y polinización descrito en el Cuadro 9.
1.2 Fase V BC-1 x M3 hasta el BC-7
Primera
generación de (BC-1), se siembran y se hace análisis a las hojas de las plantas
para desechar los individuos con alto contenido de alcaloides > 2 % (2
g/100g) en las hojas en la fase de floración. Paralelamente se siembran las semillas del M3
para la obtención del polen. Se seleccionan las plantas con las características
dichas en la sección 6.3.2 en la fase de floración. Se realiza un
retrocruzamiento a las plantas de BC-1.con el polen del M3. Se espera a la
formación de las vainas. Se realiza la cosecha y se vuelve a repetir el mismo
proceso hasta el BC-7.
1.3 Fase VI BC-7 x BC-7
Una vez obtenido las semillas BC-7, se les
sembrará, se les dará los cuidados descritos en el Cuadro 4. En floración se
seleccionarán las plantas con las características descritas en la sección 6.3.2.
Posteriormente se etiquetará con una cinta roja (no aceptadas) y azul
(aceptabas) las plantas.
Las plantas con etiqueta azul realizarán una
autofecundación. Después formarán las vainas, cada planta será cosechada
individualmente para realizar un análisis de contenido del alcaloide en las
semillas (el proceso se explica en el Cuadro 7), se clasificará en 3 grupos
Cuadro 10. Para guardar en el banco de Germoplasma para futuras mejoras.
Cuadro 10. Criterio para la clasificación de las plantas según el contenido de alcaloides en las semillas.
Grupo 1 |
Grupo 2 |
Grupo 3 |
<3.5
hasta 2.5 % |
<2.5
hasta 1.95 % |
<1.95
% |
1.
REFERENCIAS:
Abarca, L.
(1988). Estudio de métodos de enmasculacion en
el cultivo de chocho (Lupinus mutabilis Sweet). Escuela
Superior de Chimborazo, Riobamba (Ecuador). Facultad de Ingeniería Agronómica.
122p.
Caicedo, C., Murillo, A., Pinzón, J., Peralta, E., & Rivera, M.
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de chocho (Lupinus mutabilis Sweet). Manejo agronomico y
recetas para su consumo. INIAP.
Delgado, D. (1970). Frecuencia
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de Estados Americanos. Departamento de Fitotecnia y suelos. Disponible
en: http://repositorio.bibliotecaorton.catie.ac.cr/handle/11554/2189
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Jacobsen E.,
Mujica A. (2006). El tarwi (Lupinus mutabilis Sweet.)
y sus parientes silvestres. Botánica Económica de los Andes Centrales.
Universidad Mayor de San Andrés, La Paz. 458-482pp.
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del nevado de colima, México, como fuente potencial de forraje. Interciencia, 31(10), 758-761.
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siembra de chocho es más rentable. Líderes (El Comercio). Obtenido
de: https://www.revistalideres.ec/lideres/siembra-chocho-produccion-chimborazo.html
Peralta, E., Murillo, A., & Mazón, N. (2015). Línea del tiempo. Mejoramiento genético de
los granos andinos en Ecuador: Quinua, chocho, amaranto y ataco. INIAP.
Villacres, E., Peralta, E., Cuadrado, L., Revelo, J., Abdo, S.,
& Aldáz, R. (2009). Propiedades
y Aplicaciones de los Alcaloides del Chocho. INIAP Archivo Historico.
Williams W., Harrison E., Jayasekera S. 1982. Genetical control of alkaloid production
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allele mutal isolated following. Euphytica 33 (1984) 811-817.
Yumbla, M. (2006). Estudio de factibilidad
para la producción, industrialización y comercialización de chocho
(Lupinus mutabilis Sweet), con enfoque de granja integral en el
cantón Montúfar–Carchi. Quito: USFQ, 2006.
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