Selección y mejoramiento de genotipos élites de cacao (Theobroma cacao L.) en fincas agroecológicas para obtener clones con baja bio-acumulación de cadmio.

Iza, J¹., Mendoza, J.¹, Moreno, A.¹, Parra, J. ¹ y Salazar M¹.

¹ Estudiantes Universidad Central del Ecuador (Grupo 8).

Resumen:

Ecuador es el primer país exportador de cacao en América, sin embargo, en el 2015 la Unión Europea estableció una investigación en el grano del cacao, en el cual se exige niveles mínimos de 0,60-0,10 mg de cadmio por cada kilo ya que es un metal tóxico que produce varias enfermedades graves en el organismo del ser humano. Por tal motivo, el sector cacaotero se ha interesado en buscar soluciones prácticas para evitar la asimilación del cadmio y la acumulación del metal en el grano de cacao. Esto se logrará a través de varios estudios dirigidos por instituciones a fines. En las fincas cacaoteras se encuentran las variedades Nacional y CCN51 que son las mejores variedades que cumplen con todas las características optimas de la almendra. Para este estudio, se ha seleccionado tres fincas agroecológicas, donde se escogerá las plantas élites de cacao, así como la propagación y adaptación del genotipo Amelonado de cacao. Se realizará la selección e hibridación clonal, hasta obtener la generación clonal 3, con la finalidad de liberar 10 genotipos élite enfocados a un manejo agroecológico con baja acumulación de cadmio.

PALABRAS CLAVE: CACAO/HIBRIDACIÓN CLONAL/CADMIO/ AMELOANDO/GENOTIPO

1.    Introducción

El cacao (Theobroma cacao) es la materia prima para la elaboración de chocolate, productos de maquillaje, manteca de cacao entre otros a nivel mundial (Rodriguez y otros, 2019). Esto lo convierte en uno de los rubros con fuertes impulsos en el mercado con valores aproximados a los US $44.500 millones de dólares, posicionando al cacao como cultivo de explotación a gran escala (Insights, 2020). Según la Organización Internacional del Cacao (ICCO), se estima que para el año cacaotero 2018/2019 se produjeron alrededor de 4.870.000 toneladas de grano de cacao a nivel mundial, siendo los países africanos los principales productores (76,2 %), seguidos por los productores latinoamericanos con el 17,5 % y, el 6,3 % restante se les atribuye a países de Asia y Oceanía (Guiltinan, 2007). En la actualidad el cacao ha sido postulado como un cultivo clave para programas relacionados con la lucha contra la pobreza rural, paz en zonas post-conflicto y sustitución de cultivos ilícitos (Abbott, y otros, 2018).

La producción de cacao en Ecuador supera una superficie de 263800 hectáreas, ya que actualmente es el mayor exportador de cacao fino y de aroma (Rofner y Bernal, 2012; Quito, 2020). Este producto incrementa anualmente los ingresos económicos del país ayudando así a su progreso, sin embargo, los suelos y las aguas provenientes para la producción de este cultivo tiene grandes concentraciones de cadmio (Cd) que han afectado a la industria cacaotera tanto en mercados internacionales como nacionales, la carga de cadmio en sus granos representa uno de los principales retos actuales amenazando la seguridad alimentaria y la salud humana (Polle y Schützendübel, 2003).

El cacao tiene mayores ventajas en sistemas agroforestales, por tal motivo, se ve la necesidad de obtener clones que asimilen menos cantidad de cadmio a partir del cultivo ya implementado en fincas agroecológicas (Medina, et alt., 2019). Es necesario tener más de un clon dentro de estas fincas ya que la diversidad es un factor muy importante en la agroecología, además contribuye con la disminución al ataque de plagas y enfermedades. Todos los programas de mejoramiento genético de cacao se enfocan más en desarrollar cacao para un sistema convencional que para un agroecológico (Concha y otros, 2007).

Algunas instituciones como el CIAT han buscado soluciones ante este problema como: el origen de la materia orgánica incorporada en el cultivo, el tipo de agua que se utiliza como riego, la fertilización adecuada y la remoción del suelo (Piedrahita y otros, 2018; Núñez y Jiménez, 2020). Sin embargo, aún no existe en el mercado una variedad de cacao que sea capaz de absorber ciertas cantidades de cadmio que sean nocivas para la salud del ser humano (Meter y Laliberte, 2019; Julca, 2020). Por tal motivo se requiere desarrollar clones comerciales de cacao con baja bio-acumulación de Cd. Con la finalidad de ayudar a los productores de cacao del Ecuador para garantizar su producto en el mercado y evitar la pérdida de ingresos económicos.

Objetivo General

Evaluar la selección clonal y cruzamientos dirigidos como método para mejoramiento de cacao con reducida bio-acumulación de Cd.

Objetivos Específicos

Identificar genotipos élite en fincas agroecológicas de las provincias de Manabí y Los Ríos.

Generar clones híbridos con poca asimilación del Cd de cacao usando ecotipos élite identificados en finca.

Hipótesis.

H₁. Mediante el desarrollo de clones híbridos es factible disminuir la asimilación de Cd en cacao en fincas agroecológicas.

H₀: Mediante el desarrollo de clones híbridos no es factible disminuir la asimilación de Cd en cacao en fincas agroecológicas.

2.    Revisión de literatura

Problemas que ocasiona el Cadmio a la salud humana

Se considera un problema para la salud incluso de animales, ya que, una vez absorbido y acumulado en tejidos vegetales ingresa a la cadena alimenticia cuando es consumido (Polle & Schützendübel, 2003). El envenenamiento por acumulación de cadmio puede llegar a tener graves consecuencias en la salud humana, siendo el causante de patologías relacionadas a la osteoporosis, enfermedades renales, enfermedades neurodegenerativas (p. Ej. Parkinson y Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA), enfermedades cardiovasculares y cáncer) (DalCorso, Farinati, Maistri, & Furini, 2019).

Contenidos de Cd en la almendra de cacao

El cadmio en el fruto de cacao se distribuye de manera desigual, investigaciones en Ecuador han demostrado que la mayor cantidad de cadmio se acumula en el jugo y la pula (mucílago) del cacao. Este Cd puede desplazarse hacia la testa y la almendra del cacao y terminar finalmente en el chocolate (IPNI, 2015).

Carrera (1994), encontró, en fincas cacaoteras de Santa Rosa en la provincia del Oro y Naranjal en la provincia del Guayas, almendras de cacao con cantidades mayores a 1 mg kg-1 de Cd.

El INIAP-PROMSA (2003), reportaron la presencia de Cd en niveles tóxicos en un suelo cacaotero de la Provincia de El Oro y almendras de cacao con cantidades superiores a 1 mg kg-1 de Cd, en las provincias de El Oro, Guayas, Zamora, Los Ríos, Francisco de Orellana, Esmeraldas y la parte tropical de Pichincha (fig. 1).

 Figura 1. Contenidos de Cd en muestras de cacao, colectadas en Centros de Acopio de la Costa. Época seca, 2008.

 

Tipo de reproducción y polinización del cacao

Existen dos formas básicas o generales de propagación del cacao: la sexual por semillas y la asexual que utiliza entre otros medios las estacas, los acodos y los injertos (Martínez y Castellón, 2015). En cacao es posible propagar vegetativamente una planta deseable y conservar así los genotipos superiores a los que se le denomina “clones” (Sandoya, 2019). También es posible utilizar los genes de estos para usarlos en cruzamientos para transmitir los caracteres buscados.  

La flor del cacao brota del tallo y cuenta con 2cm de largo, la autopolinización es casi imposible (Soria, 1971). Por ello el tipo de polinización que tiene el cacao es entomofilia donde el 95% de la polinización es efectuada por un insecto de orden díptera llamado mosquilla (Forcipomyia spp), el cual moviliza el polen de una flor hacia otra, si la polinización fue adecuada se dará paso a la formación del fruto (De la Cruz y Soria, 1973).

Como un insecto es el encargado de transportar el polen de una flor a otra, se clasifica para el cacao como una planta alógama. En las plantas alógamas hay un constante intercambio genético, debido a que los gametos de una planta van a unirse con los gametos de otra de la misma especie (Bravo y Arteaga, 2011).

Este intercambio se repite en cada generación, por lo que se mantiene un alto grado de heterocigosis; es decir, los granos de polen de cualquier planta quedan libres para ser transportados por el viento, insectos o cualquier otro, medio hasta los estigmas de cualquier planta (Salazar y Torres, 2017).

Esta alta variabilidad de caracteres en una población confiere una ventaja para los trabajos de selección por cuanto el diferencial de selección es mayor, permitiendo aislar genotipos superiores y cambiar la frecuencia de ciertos genes mediante trabajos de selección e hibridación (Vásquez y otros, 2012).

Clones de cacao que bioacumulen poco cadmio.

Para disminuir la concentración de Cd en cacao, diferentes instituciones han trabajado principalmente en programas de manejo agronómico del suelo a fin de disminuir la concentración y disponibilidad de este elemento en la rizosfera y con ello evitar que la planta bioacumule Cd. Sin embargo, a la par también se ha buscado disminuir la concentración de Cd en las almendras de cacao a partir de la sección y mejoramiento vegetal de especies que bioacumulen cantidades bajas de Cd, así se ha logrado evaluar e identificó algunos genotipos con baja bioacumulación de Cd (Lewis y otros, 2018).

En el Ecuador, el Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIAP) ha llevado a cabo diferentes programas para disminuir los niveles de Cd en el cacao, el eje principal en el que se ha trabajado ha sido el adecuado manejo agronómico del suelo que permita disminuir la bioacumulación de Cd en las almendras de cacao. Actualmente, existen programas para desarrollar variedades y/o clones que presenten bajos índices de acumulación de Cd, sin embargo, a saber, aun no se han liberado variedades comerciales con esta característica (Sánchez y otros, 2019).

Qué tipo de mejoramiento genético se realiza en cacao

Theobroma cacao L. es una especie alógama que en ocasiones puede presentar incompatibilidad entre poblaciones, sin embargo, su capacidad de heterosis es usada en los programas de mejoramiento para ampliar la base genética que contará con genotipos superiores que pueden ser usados como progenitores, la selección se realiza tomando en cuenta características dirigidas a la resistencia, calidad o rendimiento tras una evaluación realizada en campo, posteriormente son recombinados y evaluados nuevamente, este proceso cíclico es conocido como Selección recurrente (Arévalo, 2012).

Se puede usar diferentes técnicas de mejoramiento como el desarrollo de híbridos o clones, se debe tener en cuenta que para para obtener resultados confiables, la especie tiene que ser evaluada durante uno o dos ciclos como mínimo para que pueda ser liberada, en esta fase se consideran ensayos multilocales en los que se puede implementar parcelas demostrativas que permitan observar el desempeño de los genotipos en diferentes sistemas (Phillips y otros, 2012).

3.    Materiales y métodos

El método a utilizar es la selección clonal, hemos decidido apostar por clones, pues, son el medio más eficiente para explotar la variación genética y que en cacao son un paso clave para la domesticación del cultivo (Lockwood, 2008) como se puede observar en el esquema de mejoramiento (Figura 2). En un estudio realizado por Lewis y otros (2018), muestra una alta variabilidad en las muestras foliares de cacao en todas las accesiones estudiadas de los distintos genotipos en comparación a las concentraciones de Cd biodisponible encontrado en el suelo lo que indica una fuerte influencia genética. O que tal si hacemos mención del ensayo de Arévalo-Gardini y otros (2017), cuyo trabajo con algunos genotipos de cacao en combinación mostró que algunos clones o combinaciones acumularon menos Cd en hojas y semillas en iguales condiciones de suelo.

 

Figura 2.- Esquema de mejoramiento Selección clonal e hibridación en cacao (Theobroma cacao).

Elaborado por: Iza y otros, (2021).

Las líneas a utilizar como puede ser observado en el esquema de mejoramiento propuesto en la plataforma Miro son pertenecientes al tipo “forastero”, ideales para cumplir con los parámetros de adaptabilidad en esta zona, especialmente si se busca un enfoque agroecológico. La línea 1 corresponde a la variedad Nacional (progenitor con características altas de calidad y productividad), y la línea 2 a la variedad Amel rojo 1/30 (amelonado) un genotipo silvestre característico por su alta variabilidad, pensamos que es el genotipo ideal por su protagonismo en investigaciones realizadas donde demuestra una aceptable tolerancia a la asimilación de Cd, respectivamente 0,17 mg/kg del cual ya en procesos de agroindustrialización puede disminuir aún más debido a la pérdida de la testa, sin embargo, al no ser una variedad endémica requiere un proceso de adaptación tal como se detalla en el esquema (Lewis, Adrian , Lennon , Gaius-Eudoxie, & Umaharan, 2018). Al ser una especie alógama, bastaría un cruce para identificar altas variaciones debido a la heterocigosis presente con lo cual se reduciría cierta cantidad de años de evaluación (Lockwood, 2008).

La selección juega un rol importante para la identificación, la definición de variables y criterios, y en la clasificación para selección de los árboles élite, el cual se lo realizará de acuerdo a la siguiente metodología durante el año 2022:

·         Intercambio con productores de fincas agroecológicas, definición de criterios de selección

·         Recorridos en plantaciones con productores de todas las fincas evaluadas se espera identificar al menos 30 árboles élites establecidos por más de 20 años.

·         Evaluación in situ durante al menos un ciclo de cosecha, se registran variables de los árboles seleccionados, las mazorcas sanas son cosechadas y estudiadas.

·         Propagación vegetativa de árboles élite.

La propagación y adaptación del genotipo Amelonado de cacao (parental 2), proveniente del continente africano, se lo realizará al mismo tiempo con la propagación de los árboles élite seleccionados en fincas agroecológicas, el establecimiento se realizará en dos parcelas de 4800 m2 (una por cada genotipo) con distanciamiento de plantación de 4 x 4m, obteniendo 300 genotipo para su evaluación.

Durante el año 2025 a 2026 se realizará la evaluación de los árboles élite considerando las características fenotípicas del cultivar como: rendimiento máximo, vigor, resistencia a patógenos y altura de planta, de igual manera se procederá con el genotipo Amelonado, una vez descartadas las plantas menos adaptadas y desarrolladas se procederá a realizar la hibridación, obteniendo como resultado 30 parentales agroecológicos (femeninos) y 10 parentales Amelonados (masculinos).

La selección e hibridación clonal se llevaría a cabo en año 2026 con los parentales del cultivar Amelonado y cultivares de las fincas agroecológicas. En donde se realizará la recolección del polen de los genotipos Amelonados y la emasculación de los genotipos agroecológicos. La polinización se realizará de manera asistida para lo cual, se selecciona las flores que van a ser fecundadas y se cubre de un tubo aislante. Al día siguiente se toma las flores que van a donar el polen para llevar a ser las polinizaciones manuales. Este proceso da como resultado 300 cruzas de las cuales se seleccionaras 7 semillas por familia para realizar su propagación, obteniendo 2100 genotipos para su evaluación.

Para el año 2029 se llevará a cabo la selección de los 2100 genotipos mediante los criterios de selección antes mencionados, obteniendo de esta manera 50 familias de las cuales se propagarán 16 semilla por familia.

Luego del establecimiento de los 800 genotipos se realizarán las 3 generaciones clonales en los años 2032, 2035 y 2038 consecutivamente. Para los cuales se consideran criterios de selección como:

1)       Generación clonal 1: Uniformidad de frutos, apariencia de la mazorca (color y forma), número de mazorcas con un total de 400 genotipos.

2)       Generación clonal 2: Uniformidad, rendimiento, características comerciales, asimilación de cadmio, tolerancia a enfermedades y plagas con un total de 150 genotipos evaluando 5 clones por cada genotipo.

3)       Generación clonal 3: Uniformidad, rendimiento, características comerciales, tolerancia a enfermedades y plagas, calidad de almendra y asimilación de cadmio, con un total de 50 genotipos y evaluando 8 clones por cada genotipo.

A partir de la generación clonal 3 se esperaría obtener 10 clones con baja bioacumulación de Cd, que conserven características agronómicas (resistencia a plagas, rendimiento) y calidad (aroma y sabor). Además, se espera que estas puedan adaptarse adecuadamente a un sistema de producción agroecológica.

Los 10 clones obtenidos se espera que puedan ser integrados de manera conjunta en un sistema agroecológico para lograr un elevado nivel de heterogeneidad en la finca, para evitar los problemas los problemas que presentan los cultivares homogéneos como la perdida de resistencia antes factores bióticos u abióticos.

De forma adicional, a través de la primera selección en finca se espera tener una importante fuente de genotipos élite adaptados a manejo agroecológico que pueden ser la base para futuras investigaciones y/o programas de mejoramiento.

4.    Conclusiones

Con los resultados obtenido se podrá evaluar la metodología implementada y su aplicabilidad en programas de mejoramiento de cacao relacionados a la asimilación de Cd y como un aporte hacia el enfoque agroecológico del cultivo de cacao.

Para llegar a los resultados esperados será inherente identificar genotipos élite de cacao bajo manejo agroecológico de las zonas en estudio (Manabí y Los Ríos) a partir de los cuales se realizará el mejoramiento y se espera obtener clones que resulten promisorios con baja bioacumulación de Cd para ser implementados en fincas agroecológicas conservando las características apreciadas del cacao ecuatoriano.

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