Obtención de líneas experimentales de (Lupinus mutabilis x Lupinus exaltatus) con grado diferencial de contenidos de alcaloides para consumo humano y animal

 

Carpio Carlos¹, Moposita Nicole ², Núñez Freddy³, Revelo Julio⁴ y Vallejo Karen⁵

 

¹ UCE Facultad de ciencias Agrícolas, 17243 Av. Universitaria, Tumbaco, Ecuador (Grupo 6).

Resumen

Ecuador produce grandes cantidades de chocho en la región Andina con altos contenidos de proteína, aceites y nutrientes que hace de esta fabáceae un alimento apetecible por el consumidor, sin embargo, la presencia de alcaloides en su composición nutricional es la principal limitante para su uso. Esta investigación se centró en la obtención de segregantes de dos especies de chocho L. Mutabilis INIAP 450 Andino x L. exaltatus mediante el empleo de metasulfonato de etilo para bajar los niveles de alcaloides en los progenitores gracias a la inducción de mutaciones que provoca transiciones en las bases nitrogenadas, el método de emasculación y fecundación para el cruzamiento de las dos especies y finalmente el método de Von Baer para determinar el contenido de alcaloides de los segregantes obtenidos para su uso y consumo.

Palabras claves: Alcaloides, mutabilis, exaltatus, metasulfonato de etilo, emasculación, fecundación, Von Baer.

 

Abstract

Ecuador produce grandes cantidades de chocho en la región Andina con altos contenidos de proteína, aceites y nutrientes que hace de esta fabáceae un alimento apetecible por el consumidor, sin embargo, la presencia de alcaloides en su composición nutricional es la principal limitante para su uso. Esta investigación se centró en la obtención de segregantes de dos especies de chocho L. Mutabilis INIAP 450 Andino x L. exaltatus mediante el empleo de metasulfonato de etilo para bajar los niveles de alcaloides en los progenitores gracias a la inducción de mutaciones que provoca transiciones en las bases nitrogenadas, el método de emasculación y fecundación para el cruzamiento de las dos especies y finalmente el método de Von Baer para determinar el contenido de alcaloides de los segregantes obtenidos para su uso y consumo.  

Keywords: Alkaloids, mutabilis, exaltatus, ethyl metasulfonate, emasculation, fertilization, Von Baer.

 

 

 

1.       Introducción

El chocho es originario de los Andes de América del Sur, pertenece a la familia de las leguminosas, fue domesticado y cultivado en Ecuador, Bolivia y Perú (Ministerio de Agricultura y ganadería 2018), Es importante dentro de la alimentación andina ecuatoriana por sus propiedades nutritivas y minerales predominantes como el calcio con una concentración del 0.48% [31]., fosforo y hierro [17]., Ha tomado importancia como alimento y cultivo durante la última década [4].

La composición nutricional de esta leguminosa es alta con 50% en proteínas, 20.4% en grasas no saturadas y la presencia de niacina y tiamina, vitaminas que cubren con las necesidades básicas del ser humano [21]., también tiene un alto porcentaje de alcaloides de tipo quinolizidinico en su semilla que le otorga el sabor amargo y cierto grado toxico por la acumulación del ácido jasmonico produciendo la biosíntesis de los alcaloides y directamente la limitación en su uso y aprovechamiento [ 6].

La superficie de chocho está en las zonas productoras de Cotopaxi y Chimborazo con un promedio de 0.97 ha, mientras que en Pichincha e Imbabura fueron valores promedios de 0.69 a 0.82 ha cultivadas, si hablamos del rendimiento promedio en los cuatro centros son de 0.97 ha de 317.39 kg/ha siendo un valor muy bajo debido al ataque de plagas, enfermedades, falta de semilla de calidad entre otros [23].

Entidades de investigaciones agropecuarias como el INIAP consideraron la importancia de este cultivo en la economía y la alimentación del país y en cumplimiento con su misión, están generando mediante procesos de investigación participativa, tecnologías apropiadas a la necesidad de los agricultores y consumidores [11].

Actualmente en la Sierra andina se cultivan variedades como INIAP 450 Andino e INIAP 451 Guaranguito que poseen altos contenidos de alcaloides (3,26%), por el contrario, especies silvestres como Lupinus exalatus tienen alto contenido de proteína en su semilla, pueden usarse como forraje y acumulan niveles bajos de alcaloides (2,1%), es por eso que la obtención de material genético con bajos contenidos de alcaloides ha sido el objetivo de varios programas de mejoramiento y este estudio se lleva a cabo con el fin de realizar un cruzamiento directo y reciproco entre dos variedades seleccionadas, Lupinus mutabilis x INIAP 450 Andino como futuros mejoramientos genéticos.

Problema de estudio

¿Al cruzar Lupinus mutabilis INIAP 450 andino X Lupinus exaltatus podríamos reducir el contenido de alcaloides para usarlo como alimento y forraje?

 

2.       Objetivos

Objetivo general:

·         Obtener variedades de chocho (lupinus mutabilis) con niveles de alcaloides apropiados para el consumo humano y animal.

Objetivos específicos:

·         Mitigar el contenido de toxinas de (lupinus mutabilis) para que pueda ser consumido sin afectar a la salud del ser humano y los animales.

·         Minimizar las sustancias toxicas presentes en la planta de chocho para poder usarlo como forraje.

3.       Hipótesis

Hipótesis nula

Al cruzar las dos especies de chocho obtendremos segregantes, pero ninguno con bajos niveles de alcaloides.

Hipótesis alternativa

Al cruzar las dos especies de chocho obtendremos segregantes con bajos niveles de alcaloides.

 

4.       Revisión de literatura

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 [7]. a diferencia de otros productos, 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 que tiene con los rizomas que forma nódulos en las raíces por lo cual, fija nitrógeno al suelo [ 20].

  En el Chimborazo han optado por la siembra de este cultivo, debido a su gran rentabilidad en los mercados de la Sierra ecuatoriana y su precio estable. En el 2016 cosecharon unos 4 200 quintales de chochos, es decir, cerca de un 10% más que en el 2015, por ende, es una producción que va en aumento. La producción es vendida a Riobamba, Ambato, Quito y también se envía a otras ciudades de la Costa [20].

  El Ministerio de Agricultura, estimó un promedio del consumo de chochos en el Ecuador de ocho kilos anuales por persona. La alta demanda se debe a la versatilidad gastronómica y cualidades nutricionales de la leguminosa. Cada quintal, dependiendo de la calidad del chocho, cuesta entre USD 75 y 110. Pero en las bodegas de granos secos el costo puede alcanzar los USD 210. Mientras que los días de feria, los mercados locales se llenan de puestos de venta de chochos que se expenden cocinados y listos para el consumo. El costo es de un total de USD 1,50 cada libra [22]. Otra motivación es el rendimiento del cultivo. En 100 metros cuadrados se siembran 50 libras y se obtienen entre ocho y 10 quintales. Por lo cual, el chocho es muy recomendado para cultivar [24].

Descripción del Lupinus mutabilis INIAP 450 andino

La variedad INIAP 450 ANDINO fue obtenido de una población de germoplasma introducida de Perú, en 1992, que es de porte medio, se cosecha entre los seis y siete meses tiene cierta susceptibilidad a plagas y enfermedades foliares y radiculares. El rendimiento de esta variedad está en promedio de 14 quintales. Las características de calidad son: Color de grano crema; Forma de grano redondo; Tamaño de grano 8 mm [5].

  Su composición nutricional es alcaloides 3,92%; Grano de primera 83,1 por ciento; Proteína 45,02 por ciento; Fibra cruda 10,31 por ciento; Grasa 19,07 por ciento; Calcio 0,14 por ciento; Energía 5668 cal g; Azucares totales 6,45 por ciento; Almidón total 2,99 por ciento [5].

 

Descripción de la planta silvestre Lupinus exaltatus

Las semillas de los lupinos presentan un alto contenido de proteínas (36-42% dependiendo de la especie), con un valor nutritivo alto. Las plantas de los lupinos crecen en suelos pobres y son tolerantes al frío, condiciones desfavorables para el crecimiento de la soya. La principal limitante del uso de los lupinos es su alto contenido (1,5-2,5%) de alcaloides quinolizidínicos en las semillas [27]., que confieren un sabor amargo. La presencia de estos compuestos es mayor en las especies silvestres, que son consideradas tóxicas [19].

  Actualmente existen variedades dulces, con bajos niveles de alcaloides, que han sido desarrolladas por selección y mejoramiento. Sin embargo, estas variedades son más susceptibles al ataque de plagas y herbívoros [19]. Otra alternativa empleada es la utilización de especies de lupinos amargos tras aplicar procesos tecnológicos de extracción de alcaloides para su disminución en las semillas y el aprovechamiento de los compuestos como subproductos útiles en la agricultura y farmacología [ 26].

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 encuentras los alcaloides quinolizidina que proviene de la lisina y se pueden dividir en lupanina, cisticina y esparteína [29].

La toxicidad de estos compuestos ha sido demostrada en varios experimentos a dosis muy altas tanto en animales como en seres humanos, estos valores están entre 11 a 25 mg/Kg peso corporal en niños y dosis de 24 a 46 mg/Kg de peso corporal en adultos [7]., por lo cual, 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.

En el grano desamargado se debe cuantificar su contenido de antinutrientes con el fin de establecer niveles seguros para el consumo [25]. Por ende, han buscado mejorar genéticamente las variedades de chocho cultivadas cuya semilla posea niveles de alcaloides seguros para el consumo, siendo estos entre 0.05 y 0.02% [9].

Función de los alcaloides en la planta Lupinus

La semilla de Lupinus tiene una gran cantidad de estos alcaloides que varía de 0,02 a 4,45%, debido a que obtienen las sustancias del resto de la panta para protegerse de herbívoros, y en caso de condiciones extremas, brindarle 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 [ 24].

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 [ 10].

En estudios realizados con espectrometría en el chocho, ha demostrado que la presencia de JA y alcaloides, se debe a la inducción por el ambiente y daños mecánicos o heridas que simulan un evento herbívoro [ 25]. La transmisión y traducción de los alcaloides se encuentran reguladas por fitohormonas tales como el Ácido Salicílico (SA), Ácido Jasmónico (JA) y Etileno (ET), que intervienen en las rutas metabólicas vegetales que desencadenan la expresión de genes de defensa [ 9].

El proceso tecnológico para bajar los alcaloides en los frutos de chocho

Consiste en remojo, cocción y lavados constantes del grano. El remojo se lo realiza con soluciones de ácidos en agua, logrando eliminar la mayor parte de ellos, dejando un residuo del 0.03% de todos los alcaloides presentes en la semilla y también sus sales respectivas [ 22].

El proceso de desamargo en Ecuador es costoso, debido a que el productor vende su producto a intermediarios que se encargan del proceso del desamargo. El ingreso bruto del productor puede varear según como venda el grano, si vende el quintal del grano desamargo directo a los mercados o bodegas, el productor recibirá $70.0 dólares, mientras que, al vender el quintal de grano amargo, lo comercializa a través de intermediarios o acopiadores zonales que ejecutan el proceso de desamargado, el quintal del grano amargo recibirá $ 45.54 dólares.

 

5.       Metodología

Fitomejoramiento en L. mutabilis para bajar el nivel de alcaloides

El desafío en el mejoramiento genético es obtener variedades resistentes a las plagas sin alcaloides, debido a que el chocho consumible son plantas selectivamente parasitadas por herbívoros. La domesticación deberá dirigirse hacia la selección de las variedades que almacenan alcaloides en bajos porcentajes o la selección de variedades con metabolitos secundarios adicionales que estén involucrados en la resistencia [ 15]. Las variedades con bajo contenido de alcaloides se han obtenido por dos caminos:

1. La selección y evaluación de líneas inducidas con bajos contenidos de alcaloides [ 10].

2. La selección de líneas espontaneas con bajo contenido de alcaloides, según [ 12]., se inicia con una selección masal de una mezcla de los individuos promisorios identificados, después se realiza una selección individual para tener individuos con bajos contenidos de alcaloides y cruzándoles para obtener la siguiente generación, esto se va repitiendo por varias generaciones, llegado a un punto, donde no se obtiene avance, siempre se va haciendo las cruzas entre variedades más significativas de la descendencia.

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 [ 8].

 

Tabla 1. Evidencias del mejoramiento de Lupinus

AÑO	AUTORES	REVISTA	MEJORAMIENTO METODOLOGÍA	OBTUVIERON	OBSERVACIONES
2018	Ligarreto Moreno, G. A.	Universidad Nacional de Colombia	Se empleó MSE en diferentes especies de Lupinus	Se obtuvo líneas con 0,3% de contenido de alcaloides, consideradas líneas dulces.	Al bajar el nivel de alcaloides la planta se volvió más susceptible al ataque de herbívoros.
2014	Chalá, M., & Fernando, D.	Escuela Superior De Chimborazo	Método de emasculación en variedades silvestre de Lupinos	No obtuvieron resultados de mejoramiento genético.	Recomienda usar otros factores de mejoramiento para aumentar la posibilidad de mejora de Lupinus utilizando la técnica de emasculación.
1992	Caicedo, C. Murillo, E. Pinzón, J. Peralta, E. Rivera, M.	INIAP	Se evaluó la variedad ECU- 2659 y la mejoraron con el método de Selección.	Variedad mejorada INIAP-450 Andino	Plantas resistentes, gran contenido de proteína, menor cantidad de alcaloides 3.92%, mayor rendimiento.
2006	Loja, N., & Orellana, S.	Universidad de Cuenca	Se utilizó técnicas para eliminar los alcaloides del grano de chocho: tiempos de cocción y cambios periódicos de agua, la adición de aditivos químicos en diferentes concentraciones y una técnica enzimática.	Producto estable y suave para el consumo con altos niveles de proteína. Incremento de la solubilidad de la proteína.	El desamargo permite lavar los alcaloides, y una parte de ellos concentrar para el aumento de la proteína.
2019         2000	Quispe Ttica, G. E.     Alejandro, C. O. G.	Intercensia	Evaluaron la cantidad de proteínas y alcaloides en Lupinus exaltatus por medio de análisis de laboratorio.	Obtuvieron un nivel de proteína de 23.5±0.9%. En alcaloides 2.1 en los frutos.	La planta en el desarrollo y fructificación almacena mayor cantidad de alcaloides y empieza a disminuir en la senescencia.
2017	Chiguachi, D.	Universidad Nacional de Colombia	Usaron el método de añadir MSE para inducir mutación en los progenitores. Se utilizó el método de emasculación y fecundación de las flores para el cruzamiento de L. mutabilis variedad Nacional y Jazmín.	Se obtuvo varias líneas nuevas, pero solo nueve resultaron con niveles bajos de alcaloides.	Al disminuir la cantidad de alcaloides a niveles vareados, las plantas quedaban muy expuestas a las plagas, pero obtuvo variedades que servirán para mejoramiento.

 

6.       Revisión Bibliográfica

1.       Alejandro, C. O. G. (2000). Obtención y evaluación de un aislado proteínico a partir de una leguminosa silvestre del estado de Jalisco (lupinus exaltatus zucc.).

2.       Caicedo, C., & Peralta, E. (2001). El cultivo de chocho Lupinus mutabilis Sweet: Fitonutrición, Enfermedades y Plagas, en el Ecuador.

3.       Caicedo, C., Murillo, A., Pinzón, J., Peralta, E., & Rivera, M. (2010). INIAP-450 Andino: Variedad de Chocho (upinus mutabilis Sweet).

4.       Caicedo, C., Murillo, A., Peralta, E., Pinzón, J., & Rivera, M. (2000). INIAP-450 Andino: Variedad de chocho para la zona centro/norte de la Sierra ecuatoriana.

5.       Caicedo, C.; Peralta, E.(2000). Zonificación Potencial, Sistemas de Producción y Procesamiento Artesanal del Chocho (Lupinus mutabilis) en Ecuador: Quito, EC, Estación Experimental Santa Catalina, Pp. 1-18. (Boletín Técnico N.º 89).

6.       Campos, A., & Favla, H. (04 de 2018). Culturas alimentarias indígenas y turismo. Scielo, 194 - 195. Obtenido de http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1851- 17322018000200001

7.       Campana, D., Coustan-Smith, E., & Janossy, G. (1988). Double and triple staining methods for studying the proliferative activity of human B and T lymphoid cells. Journal of immunological methods, 107(1), 79-88.

8.       Chalá, M., & Fernando, D. (2014). Evaluación agronómica de líneas F5 de quinua (Chenopodium quinoa Willd.), en dos localidades de la serranía. Ecuador.

9.       Chludil, H. D., Vilariño, M. D. P., Franco, M. L., & Leicach, S. R. (2009). Changes in Lupinus albus and Lupinus angustifolius alkaloid profiles in response to mechanical damage. Journal of agricultural and food chemistry, 57(14), 6107-6113.

10.    Delgado, D. (1970). Frecuencia de mutaciones en semillas de frijol utilizando radiaciones gamma. Organización de Estados Americanos. Departamento de Fitotecnia y suelos. Disponible en: http://repositorio.bibliotecaorton.catie.ac.cr/handle/11554/2189

11.     Erazo García, M. P. (2019). Determinación de la producción de alcaloides y análisis de expresión de genes de defensa inducidos por metil jasmonato en semillas de chocho (Lupinus mutabilis) (Bachelor’s tesis, Quito).

12.    Fernández Cheza, E. E. (2017). Determinación del contenido de antinutrientes en tres variedades de chocho (Andino INIAP 450, Guaranguito INIAP 451 y Criollo) (Bachelor's thesis, PUCE).

13.    Guerrero, M. 1987. Alcaloides del Chocho (Lupinus mutabilis). Evento de información y difusión de resultados de investigación sobre el chocho. Ed. CONACYT/RPN/IIT. Ambato. p 7.

14.    Gross R. (1982). El cultivo y la utilización del Tarwi (Lupinus mutabilis). FAO. ISBN 92-5- 301197-1.

15.    Gross, R. (1992). Situación actual de la investigación alimentaria del lupino. Proyecto Lupino. Instituto Nacional de Nutrición. Lima, Perú. 35 p.

16.    Gross, R., & Von Baer, E. (1977). Possibilities of Lupinus mutabolis and Lupinus albus in the Andean countries. Archivos latinoamericanos de nutricion, 27(4), 451-472.

17.     Hatzold, T., Elmadfa, I., & Gross, R. (1983). Edible oil and protein concentrate from Lupinus mutabilis. Plant Foods for Human Nutrition, 32(2), 125-132.

18.    Ligarreto Moreno, G. A. Obtención de líneas experimentales de frijol chocho (Lupinus mutabilis) con grado diferencial de contenidos de alcaloides para consumo humano y animal. Facultad de Agronomía.

19.    López, M. A. R., Macías, R. R., & Pérez, S. N. (2006). Evaluación químico-nutricional de Lupinus exaltatus Zucc, del nevado de colima, México, como fuente potencial de forraje. Interciencia, 31(10), 758-761.

20.    Márquez, C. (2016). La siembra de chocho es más rentable. Líderes (El Comercio). Obtenido de: https://www.revistalideres.ec/lideres/siembra-chocho-produccion-chimborazo.html

21.    Medina, X. (12 de 2017). Reflexiones sobre el patrimonio y la alimentación desde las perspectivas cultural y turística. ScienceDirect, 107-108. Obtenido de https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S018512251730005X

22.    Ministerio de Agricultura y Ganadería. (2018). Obtenido de https://www.agricultura.gob.ec/iniap-investigo-propiedades-nutritivas-delchocho-alternativa-para-una-mejor-alimentacion/

23.    Moncayo, L. (1998). Caracterización de los sistemas de producción del cultivo de chocho       (Lupinus mutabilis) en cuatro provincias de la Sierra ecuatoriana: Chimborazo, Cotopaxi, Pichincha e Imbabura. 83p.

24.    Monteros, J. (1992). El cultivo del chocho (Lupinus mutabilis), tecnología de producción y usos.INIAP

25.    Peralta, E., Rivera, M., Murillo, A., Mazón, N., & Monar, C. (2010). INIAP-451 Guaranguito: Nueva variedad de chocho para la provincia Bolívar.

26.    Quispe tica, G. E. (2019). Diversidad Genética y contenido total de Proteínas y Alcaloides en semillas de Especímenes Silvestres de Lupinus de la región Arequipa.

27.    Tapia, M., Fries Ana María. 2007. Guía de campo de los Cultivos Andinos. FAO, AMPE. Lima, Perú. P. 96

28.    Villacis Urbina, P. A. (2017). Establecimiento de un protocolo para la obtención de callos in vitro a partir de cotiledones de chocho andino (LUPINUS MUTABILIS) (Bachelor's thesis, Quito: Universidad de las Américas, 2017).

29.    Villacres, E., Peralta, E., Cuadrado, L., Revelo, J., Abdo, S., & Aldáz, R. (2009). Propiedades y Aplicaciones de los Alcaloides del Chocho. INIAP Archivo Historico.

30.    Wink, M. (1983). Inhibition of seed germination by quinolizidine alkaloids. Planta, 158(4), 365-368.

31.    Yumbla, M. (2006). Estudio de factibilidad para la producción, industrialización y comercialización de chocho (Lupinus mutabilis), con enfoque de granja integral en el cantón Montufar-Carchi. Quito: USFQ, 2006.