“Desarrollo de una variedad de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) con resistencia a sequía y alto rendimiento de sacarosa mediante selección familiar de medios hermanos”
Brando Campaña 1, Daniela Chávez 1, Erika Guzmán 1, y Marlon Montesdeoca 1
1 Estudiante de Genotecnia Vegetal. Ingeniería Agronómica. Facultad de Ciencias Agrícolas. Universidad Central de Ecuador
Resumen. La caña de azúcar cuenta con variedades liberadas en Ecuador que son económicamente beneficiosas para el agricultor y la producción nacional, sin embargo, existen varias condiciones que no favorecen a este cultivar como son los constantes cambios climáticos que ponen en riesgo la soberanía alimentaria dejando grandes pérdidas económicas por la disminución de rendimiento. En este sentido, la Selección de Familia Medios Hermanos, se ha introducido para hacer más eficiente el incremento de caracteres de baja heredabilidad y la obtención de materiales mejorados, donde el Parental femenino ♀ a utilizar son las Variedades de CINCAE EC-01, EC-02, EC-03, EC-04 y EC-05 y Parental masculino ♂ será CTC-9002 variedad con características de resistencia a sequía y una variedad testigo Ragnar la cual presenta alto contenido de sacarosa, este proyecto se desarrollara en convenio con el CINCAE en tres localidades (Portovelo, Zaruma, Machala) provincia de El Oro con el objetivo de obtener una nueva variedad de caña evaluando la tolerancia a sequía y contenido de sacarosa en la primera generación (F1) adaptada a Ecuador.
Palabras clave: caracteres, cambio climático, heredabilidad.
INTRODUCCIÓN
La caña de azúcar es la fuente principal para la obtención de azúcar, el cual es un bien de consumo básico e ingrediente fundamental de muchos alimentos elaborados y semielaborados de consumo masivo (Castillo & Silva, 2004). En Ecuador la caña de azúcar es de gran importancia tanto para la alimentación como para la industria agrícola, su producción se agrupa en un 97.5% en las provincias del Guayas (Naranjito), Imbabura, Los Ríos, Cañar, Loja y el Oro (Aldas, 2019). Alcanzado en promedio 5 176 652,8 Tn anuales en tallo fresco y un rendimiento promedio de 87 862,3 kg/ha, actualmente, el sector está compuesto por cinco grandes ingenios azucareros: San Carlos, Valdez, IAMCEM, Malca Azucarera y Ecudos (CINCAE, 2017).
Actualmente el constante cambio climático afecta a gran variedad de cultivos siendo un limitante para la producción y seguridad alimentaria. Estos problemas han sido evidenciados en varias partes del mundo, un ejemplo claro de las consecuencias de este fenómeno es el presenciado en Belice las prolongadas sequías del 2019 causadas por el cambio climático afectaron la producción de caña de azúcar con pérdidas de un 35 % al no contar con variedades resistentes a este factor (Aldas, 2019). En Ecuador el cambio climático dificulta los periodos de siembra de varios cultivos dejando grandes pérdidas económicas por la disminución de rendimiento (Augustine et al., 2015).
De ahí la importancia de contar con variedades que respondan a los constantes cambios ambientales del Ecuador tropical (Peñafiel, 2018). El CINCAE es el centro de investigación de la caña de azúcar del Ecuador cuyo objetivo es desarrollar variedades locales para
complementar las variedades introducidas y evitar la producción mono varietal (CINCAE, 2020). Actualmente cuenta con un banco de germoplasma con variedades introducidas y nacionales, a través de su programa de mejoramiento ha liberado variedades resistentes a enfermedades con altos rendimientos entre las que se encuentran los ecotipos EC-01, al EC- 08 (CINCAE, 2016). Sin embargo, este centro no ha desarrollado variedades tolerantes a sequia poniendo en alerta a este sector, que demanda variedades que soporte constantes periodos de sequía evidenciados en las últimas décadas (Augustine et al., 2015).
Este proyecto se desarrollara en convenio con el programa de mejoramiento del CINCAE, que sigue un proceso de selección donde el Parental femenino ♀ a utilizar son las Variedades de CINCAE EC-01, EC-02, EC-03, EC-04 y EC-05 y Parental masculino ♂ será CTC-9002 variedad con características de resistencia a sequía y una variedad testigo Ragnar, mediante el método de selección familiar de medios hermanos paternos con el objetivo de obtener una nueva variedad de caña resistente a sequía y alto rendimiento de sacarosa adaptada al Ecuador.
OBJETIVOS
Objetivo General
Desarrollar una variedad de caña de azúcar que presente resistencia a sequía con alto rendimiento de sacarosa mediante selección familiar de medios hermanos paternos.
Objetivos Específicos
Establecer un programa de mejora genética para caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) en condiciones de sequía para obtener un buen rendimiento de sacarosa.
Determinar los progenitores que intervienen en la selección familiar de medios hermanos paternos para la obtención de una nueva variedad de caña de azúcar.
Evaluar la tolerancia a sequía y contenido de sacarosa (kg/ha) en la primera generación (F1) de caña de azúcar y en sus diferentes estados de selección en corte y rebrote.
PROBLEMA DE ESTUDIO
El constante cambio climático y la falta de variedades resistentes a sequía con altos rendimientos de sacarosa en Ecuador disminuyen la producción del cultivo afectando económicamente a los productores.
HIPÓTESIS
Ha: El hibrido obtenido mediante la selección familiar de medios hermanos paternos es resistente a la sequía con alto rendimiento de sacarosa.
Ho: El hibrido obtenido mediante la selección familiar de medios hermanos paternos no es resistente la sequía con alto rendimiento de sacarosa.
MARCO TEORICO
Origen y evolución del cultivo
La caña de azúcar es una especie alógama y uno de los cultivos más antiguos en el mundo, originaria de Nueva Guinea, su cultivo empezó 3.000 años A.C. como un tipo de césped expandiéndose a Borneo, Sumatra, india y a todos los continentes (Ferreira, 2010). A través del tiempo y de las nuevas tecnologías la caña de azúcar moderna es un producto de la acción
humana, resultante del cruzamiento de la especie S. officinarum con la especie S. spontaneum reuniendo las mejores características de ambas especies, la riqueza en azúcar de officinarum y la rusticidad de spontaneum (Aguilar, Algara, & Olvera 2015).
Tras ese primer cruzamiento para aumentar el rendimiento de azúcar, se hicieron nuevos cruzamientos del híbrido con la variedad officinarum generación tras generación, lo que género que la frecuencia del genoma aumentara con relación al genoma de spontaneum, llegando actualmente a la proporción de 80% en relación de 20% (Aguilar, Algara, & Olvera 2015). Generando un efecto colateral de esos cruzamientos sucesivos ya que ciertos cromosomas de las especies parentales terminaron perdiéndose y recombinándose entre sí, lo cual redundó en una complejidad genómica. Dado así que la caña de azúcar es poliploide, tienen más de dos copias de cada cromosoma y su genoma está compuesto por 10 mil millones de pares de bases, distribuidos en entre 100 y 130 cromosomas de los cuales 8 – 14 son homólogos (Castro et al., 2017).
CINCAE y sus aportaciones en mejoramiento genético
En Ecuador, el CINCAE ha liberado variedades mejoradas que se adaptan a condiciones agroecológicas y resistentes a varias enfermedades, Actualmente el centro cuenta con 8 ecotipos denominados ECU 01- ECU-0.8 (Castro et al., 2017). Sin embargo, no ha desarrollado variedades resistentes a sequia generando preocupación en los agricultores por el constante cambio climático evidenciado en las últimas décadas, que pone en alerta a este cultivo, ya que, en el caso de la caña de azúcar, su calidad y potencial de producción depende de factores relacionados a composición genética, clima, manejo agronómico y labores de cosecha (Ferreira, 2010).
Variedades utilizadas para los cruzamientos
Características de las variedades progenitoras liberadas por CINCAE
Dentro de las variedades liberadas por el CINCAE se encuentra diferentes ecotipos los cuales se describen en la tabla 1
Tabla 1. Descripción de las variedades de CINCAE
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Variedad |
Progenitor |
Floración (%) |
Tallo por m lineal |
Producción TCH |
Rendimiento KATC |
Producció n de sacarosa TAH |
qq/ha |
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EC-01 |
SP81-6215 |
0-3 |
10-12 |
98.2 |
93.2 |
9.1 |
189 |
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(ECSP98- |
x SP80- |
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169) |
1816 |
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EC-02 |
V7151 x |
0-20 |
11-13 |
87.1 |
100.7 |
8.8 |
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(ECSP2000 |
SP82-3530 |
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-214) |
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EC-03 |
V71 - 51 x |
0-5 |
10-12 |
82.1 |
102.3 |
8.3 |
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(ECSP2000 |
SP80 - |
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-179) |
1816ñ |
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EC-04 |
V71 - 51 x |
0.5 |
12-14 |
90.0 |
92.6 |
8.3 |
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(ECSP2000 |
SP82 - |
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-215) |
3530 |
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EC-05 |
V71-51 x |
0.5 |
8-11 |
74.0 |
113.4 |
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167 |
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(ECSP01 - |
SP85-3877 |
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190) |
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Ragnar |
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60.1 |
104.0 |
6.3 |
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TCH: toneladas de capa por hectárea; KATC: Kilogramos de azúcar por tonelada de caña; TAH: producción de azúcar. Fuente CINCAE (2016).
Características de la Variedad progenitora - Caña de azúcar CTC-9002
Presenta un crecimiento erecto, período de cosecha tardío y floración de 45% viable, presenta alta aceptación por los agricultores de Brasil, Indonesia y Cuba, puesto que es tolerante a sequías, al uso de herbicidas, déficit hídrico y presenta alta productividad de azúcar por ha (Ferreira, 2010).
Genes de interés en la resistencia a sequía y en la producción de sacarosa
Se ha demostrado que NAC25, NAC21, NAC021 aumentan su expresión, con respecto a la exposición al estrés por sequía (Bermejo, 2019). Los genes que codifican GAPDH, a-turbina e histona H1 son más confiables para normalización ante estreses hídricos en raíces. Los genes más confiables que se expresan en general para normalización en la planta bajo estrés son CAC+APRT+GAPDH+eEF1 y CAC+CUL (Bermejo, 2019). Generalmente los genes que intervienen en la producción de sacarosa son SPS/Arbi3, StSy/Arbi2, Sut4/Arbi2, Sut4/Arb2 y Susy/Arb3; siendo estas dos últimas combinaciones, suficientes para determinar la variabilidad genética de todos los individuos. (Sosa et al., 2015).
Factores que intervienen en la producción de la caña de azúcar Contenido de sacarosa (kg/ha)
El contenido de azúcar normalmente tiene una heredabilidad de moderada a alta (Espinosa et al., 2007). Los primeros estudios de marcadores moleculares en caña de azúcar que implica mapeo de loci de rasgos cuantitativos (QTL) indican que el contenido de azúcar está controlado por un gran número de alelos segregantes (Espinosa et al., 2007). La presencia de estos en clones parentales implica que la probabilidad de obtener clones de progenie con la mejor combinación de alelos en un solo ciclo de cruce sea baja, sin embargo, la poliploidía que presenta puede ocasionar que al realizar varios cruzamientos se pierdan genes de interés por ello una selección adecuada del método de mejoramiento genético garantiza el éxito (Espinosa et al., 2007).
Rendimiento y su relación con el estrés hídrico
El estrés hídrico altera una variedad de procesos fisiológicos como: la captura de radiación, temperatura de la hoja, conductancia estomática, transpiración, transporte de electrones, fotosíntesis y respiración, mismas que determinan el rendimiento (Silva et al., 2007). En la caña de azúcar, la tolerancia a la sequía se caracteriza por un mayor contenido de clorofila, mayor conductancia estomática, fotosíntesis, mantenimiento del crecimiento y ajuste osmótico (Sosa et al., 2015)..
Las etapas de macollamiento y crecimiento, corresponden al período crítico de demanda de agua, dado que en estas fases se produce el 70-80% del rendimiento de la caña (Silva et al., 2007; Sosa et al., 2015). En estas fases la relación del contenido de agua y las respuestas fisiológicas respectivas pueden ser útiles para identificar genotipos de caña de azúcar tolerantes o sensibles a la sequía (Silva et al., 2007). La sequía causa una reducción en la tasa fotosintética debido a la disminución de la actividad de PEPcase y la enzima Rubisco (Hasanuzzaman, 2020).
El Cambio climático y la sequia
En la actualidad la agricultura enfrenta constantes cambios climáticos producto del calentamiento global, poniendo en riesgo la soberanía alimentaria, pues estos cambios afectan la producción de alimentos (Silva et al., 2007). Estos problemas han sido presenciados en varias partes del mundo. En Belice las prolongadas sequías del 2019
causadas por el cambio climático afectaron la producción de caña de azúcar con pérdidas de un 35 % al no contar con variedades resistentes a este factor (Bermejo, 2019). En el Ecuador el cambio climático dificulta los periodos de siembra de varios cultivos dejando grandes pérdidas económicas por la disminución de rendimiento (Bermejo, 2019).
Método de selección familiar de medios hermanos
Dentro de los esquemas de selección en mejoramiento, se ha logrado que las poblaciones mejoradas lleguen a ser agronómicamente superiores y así, conservar la variabilidad genética. En este sentido, la Selección de Familia Medios Hermanos, se ha introducido para hacer más eficiente el incremento de la frecuencia de alelos favorables para caracteres de baja heredabilidad y la obtención de materiales mejorados. Estos esquemas son generalmente utilizados para cultivos tradicionales, como el maíz, la papa, el sorgo, entre otros. Con lo cual a través de este proyecto se busca implementar este tipo de método para la obtención de una variedad resistente a la sequía con alto rendimiento de sacarosa.
MATERIALES Y MÉTODOS
Este estudio se desarrollará en convenio con CINCAE para la obtención de F1, los estados de selección clonal se desarrollarán en tres localidades (Portovelo, Zaruma, Machala) provincia de El Oro, zonas agrícolas productivas. En donde el verano presentan un elevado nivel de sequía que va de junio a diciembre, tiempo que se realizarán los ensayos.
Germoplasma y adquisición de parentales para selección familiar de medios hermanos
Los parentales ♀ serán adquiridos del banco de germoplasma del CINCAE las variedades a utilizar serán los ecotipos EC-01, EC-02, EC-03, EC-04 y EC-05, en cuanto al parental ♂ será la variedad CTC-9002 con características de resistencia a sequía, procedente de Brasil que se obtendrá por importación, y una variedad testigo Ragnar, este material debe tener 8- 10 meses de edad. Para la obtención de yemas se utilizará un sacabocados el cual generará fragmentos de 3.5 cm de largo, tras este proceso como estimulador germinativo se colocará el material en agua a 50°C por 10 min, luego reposará de 8-12 horas para ser inmerso en Vitavax 300 a 5 gL -1 de agua, impidiendo proliferación de patógenos.
Incubación in vitro y Aclimatación de plántulas parentales
Tras la adquisición de yemas, se germinará sobre un parterre en sustrato 3:1 ceniza y cachaza, luego de 15 días se trasplantará a vasos icopor con materia orgánica hasta que alcancen suficientes raíces, tras ello en una cámara de termoterapia se incubará por 21 días a 40°C con 12 horas de luz. Mediante estos procesos obtendremos un crecimiento rápido del tejido apical meristemático libre de patógenos, el cual estará listo para ser sembrado en un medio nutritivo. Culminado el enraizamiento, el material in vitro será extraído e hidratado en agua potable con la finalidad de eliminar restos de medio de cultivo, se pesará y trasplantará en bandejas múltiples con sustrato esterilizado a 121 ºC con una presión de 15 psi durante 30 min, controlando la T° y HR cada dos horas, bajo un invernadero con 40% de sombra.
Proceso de Inducción floral, obtención de polen y cruzamientos
Una vez que los parentales inicie la etapa de prefloración serán transportados a cámara de fotoperiodo por 30 días, las cuales emplean días largos y cortos a 23 ± 1 °C, favoreciendo la floración en un 60 a 98%. Las cámaras contaran con 6 semicompartimentos, acondicionados a 23° C y un programa automático de lámparas fluorescentes para que cumpla la gradiente requerida por la inducción floral. Mediante este proceso se realizará el programa de mejoramiento genético colectando el polen del progenitor ♂ para polinizar en los parentales
♀, en el caso de parental masculino se cortará las inflorescencias masculinas para obtener el polen, mediante polinización asistida se colocara el polen obtenido en la flor femenina de las variedades ECU –01, ECU-02, ECU- 03, ECU-04, ECU –05 a las cuales se les abra retirado su flor masculina para evitar su autopolinización, obteniendo así 5 cruces de medios hermanos paternos.
Obtención de semillas viables F1, siembra y trasplante de híbridos
Luego del cruce, se esperará 30 días, se cortará y secará las flores a condiciones de 18% HR y 17 °C por 24 horas, las mismas que serán almacenadas con su respectivo rotulado, en cuanto al control del material vegetal se limpiará y secará a 8 – 10% de humedad, se almacenará en aluminio bajo congelación hasta la siembra, se usará una muestra de 1 g de semillas para evaluar el poder germinativo y consecuentemente sembrarlo. Para la siembra se utilizará semilleros con temperatura y humedad controlada, después de 25 días se trasplantará a cajones por un mes, transcurrido ese periodo de tiempo se procederá a sembrarlas a campo en las diferentes localidades de El Oro (Zaruma, Machala y Portovelo) a una distancia de 1.4 m entre surcos y 1 m entre híbrido, intercalando la variedad Ragnar entre cada cruza.
Tratamientos, método de selección y variables a evaluar
Este estudio evaluará los tratamientos de riego y sequía, mismos que serán ejecutados a los 180 días tras la siembra, cuando el tallo gana altura y comienza a acumular azúcar. Las zonas a capacidad de campo se humedecerán al 50% de agotamiento de la humedad del suelo disponible (DASM), en cuanto las parcelas a sequía se humedecerán al 80% de DASM (Silva et al., 2007). Se establecerá un método de selección por medio de variables que ayudaran a descartar plantas de cada cruzamiento, en condiciones de irrigación normal y sequía, para corte y rebrote de cada estado de selección, dichas variables disminuyen conforme aumenta el estado de selección, las variables a evaluar son:
Contenido de prolina con espectroscopía NIRS: la prolina cumple múltiples funciones en la tolerancia ante situaciones de estrés, su contenido aumenta para actuar como un agente osmótico, protegiendo a la planta de la deshidratación por lo expuesto, se tomará 3 muestras de 20 hojas recogidas al azar del tercio medio, se seca en un horno a 60°C por 48 h, se pulverizan para ser leídas por espectroscopía (Jackson, 2005).
Contenido relativo de agua en las hojas (RWC): esta permite conocer el estado hídrico de la planta. Para su evaluación se recogerá en viales cuatro discos de una hoja en 5 plantas por cruzamiento. Las muestras son transportadas inmediatamente a laboratorio para determinar el contenido del agua (Silva et al., 2007).
Contenido de clorofila de la hoja (índice SPAD): la clorofila permite absorber luz que se transformara en energía utilizable, para su determinación se utilizara un medidor de clorofila SPAD-502. Tomando 8 lecturas en 5 plantas por cruzamiento a las 8-11 h (Silva et al., 2007).
Contenido de sacarosa (% caña): esta transporta el azúcar, juega un papel crucial durante el crecimiento, desarrollo, traducción de señales y aclimatación al estrés. Se tomará al azar 2 muestras de 11 tallos, se desfibrará y homogenizara posteriormente se pesarán 250 gramos y se añadirá 500 ml de agua, luego se licuara durante 3 minutos y se filtrara. Muestras de 1 ml de jugo se colocarán para ser leídas por espectroscopia NIR para obtener valores de % de sacarosa por caña (Viveros Valens et al., 2015).
Temperatura de la hoja: factor que afecta la apertura y cierre de estomas, se evaluara mediante un termómetro infrarrojo de mano. Las lecturas se realizarán tomando 8 lecturas en 5 plantas por cruzamiento (Silva et al., 2007).
Longitud de tallo, diámetro basal y entrenudos (cm): variables que permiten estimar posibles rendimientos, sus datos se expresaran en cm y la medida se realizara desde la inserción de la primera hoja, utilizando un calibrador digital al final del crecimiento. El número de entrenudos se registrará antes del corte (Espinosa et al., 2007).
Número de hojas: a mayor número de hoja mayor capacidad fotosintética, para esta variable se realizará un conteo de hojas en 20 plantas al azar por parcela, ya que el estrés hídrico causa reducción significativa en la tasa de aparición de hojas y acelera la senescencia en las hojas más viejas, lo que conlleva a un menor número de hojas verdes maduras (Méndez-Adorno et al., 2016).
Extracción y cuantificación de ABA: la síntesis de este acido aumenta en situaciones de estrés lo que inhibe el crecimiento vegetativo por ello, se recolectara 5g de masa fresca del tercio medio en estadio de prefloración, se cuantificara mediante la curva de calibración ABA (Viveros Valens et al., 2015).
Evaluación de rendimiento a 425 días después de la siembra: se toman 100 muestras de tallos de diferentes cepas al azar dentro de cada cruzamiento para determinar su contenido de sacarosa.
Estados de selección y obtención del hibrido
Se contará con 5 estados de selección para cada cruce, en el estado I, se obtendrá 5 cruces a evaluar, en el estado II se evaluarán todas las variables en corte y rebrote con un total de 1000 líneas por cruce bajo condiciones hídricas normales y estrés hídrico. En el estado III se evaluarán 7 de las 10 variables con 400 líneas, estado IV 4 de las 10 variables con 100 líneas, todas estas bajo las mismas condiciones del estado II, en el estado V se seleccionará al cruce de mejor adaptabilidad y respuesta con 15 líneas por cruce llegando a obtener un 1.5% de selección.
RESULTADOS Y PRODUCTO FINAL
A través de los cruzamientos realizados de medios hermanos paternos en el estado I se pretende obtener 5 híbridos diferentes con 1000 líneas con un total de 5000 plantas que presenten características de resistencia a sequia con alta producción de sacarosa, la resistencia esperada es horizontal ya que se evalúan características cuantitativas como la sequía.
En el estado II a través de la selección de las variables mencionadas se espera obtener 400 líneas por cruce con un total de 2000 plantas, disminuyendo el número de individuos, en el estado III mediante el mismo método de selección con la evaluación de 7 variables se pretende obtener 100 líneas por cruce con un total de 500 plantas, en el estado IV por medio de la evaluación de 4 variables se pretende obtener 15 líneas por cruce con un total de 75 plantas, obteniendo 1.5 % de la selección y finalmente en el estado V como producto final se espera obtener de un hibrido con adaptación de acuerdo con las variables estudiadas, que presente un rendimiento de 9 Tn de sacarosa por ha, 2.7 Tn más que el testigo Ragnar ya que es importante recalcar que la variedad obtenida será resistente a sequia con alta producción de sacarosa, pues los parentales utilizados presentan estas características, la cual será liberada al mercado con el nombre de EC-SEQ-001 contribuyendo a mejorar la producción de los agricultores e ingenios azucareros.
Beneficiarios del proyecto.
Esta propuesta de mejoramiento busca beneficiar a más de 30000 personas que trabajan en la producción de caña de azúcar en el Ecuador y a los ingenios azucareros, ya que se pretende obtener cerca de 9 toneladas de sacarosa por ha en épocas de sequía con la introducción de esta nueva variedad, por otro lado, también se pretende disminuir los costos de producción al reducir el consumo del agua, contribuyendo con el factor ambiental.
CONCLUSIÓN
La selección familiar de medios hermanos realizada considerando todos los caracteres de interés en forma conjunta, evita la confusión que se generara al realizarse con base en variables independientes, lo cual se reflejara en la obtención de una variedad de caña resistente a sequía y alto rendimiento de sacarosa adaptada a los agricultores del territorio ecuatoriano representando una alternativa productiva para la economía del país.
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