Desarrollo de una variedad de chocho, mediante mejoramiento genético con características de resistencia a antracnosis (Colletotrichum acutatum)
Cesar Cepeda1, Carlos Punina1, Luis Sánchez1 y María Suquilanda1
1. Estudiante de la Cátedra de Genotecnia Vegetal. Ingeniería Agronómica. Facultad de Ciencias Agrícolas. Universidad
Central del Ecuador.
ABSTRACT.
La susceptibilidad a la antracnosis es una enfermedad que afecta severamente de Lupinus mutabilis , que tiene un alto contenido de proteína de semilla, es excelente para la agricultura sostenible, pero requiere mejoramiento genético para alcanzar su potencial. Este estudio tuvo como objetivo desarrollar una nueva variedad resistente a antracnosis mediante hibridación. El material utilizado para este estudio son semillas de la variedad Tanjil considerada como el progenitor masculino y la variedad INIAP 450 Andino, como el progenitor femenino, estos se sembrarán y posteriormente se realizará cruzas para la obtención de híbridos. Las semillas seleccionadas suponen una presión de selección del 10%. La variedad mejorada se proporcionará, a los agricultores cultivos adaptados al máximo. Para esto se requirió combinar características positivas en una sola variedad. Al sexto año del ensayo se empezará a realizar prácticas demostrativas a escala comercial con la semilla obtenida a los productores en las provincias de Cotopaxi, Chimborazo, Pichincha e Imbabura que son las provincias con mayor producción a nivel nacional, donde se pretende mostrar los resultados de la obtención de un cultivar chocho con mayor grado de resistencia y mejor calidad de grano. Entre las propiedades deseadas se incluyen un buen rendimiento, resistencia a patógenos, un contenido de almidón y una buena verticalidad en el campo. Para poder combinar todas estas propiedades en una sola variedad, se cruzaron plantas progenitoras con las características deseadas. Esto crea una generación filial.
Palabras claves: Chocho, mejoramiento, cruza
1. INTRODUCCIÓN
El género Lupinus incluye más de 280 especies, de las cuales aproximadamente el 90 % son nativas y están ampliamente distribuidas por todo el continente americano. Lupinus mutabilis Sweet es originario de la región andina de América del Sur. El chocho es una Fabaceae utilizada como alimento desde tiempos preincaicos en los países andinos. El tarwi o chocho, se cultiva en zonas altas, distribuyéndose en la zona andina. (Tapia, 2015).
La antracnosis es la enfermedad que más ataca al lupino en todo el mundo. Se ha investigado mucho en otras especies de lupinos que provienen del viejo mundo (Ortega, et al, 2010); sin embargo, se han realizado pocas investigaciones con L. mutabilis, una especie nativa de la región interandina. Para su investigación se determina la caracterización agronómica y valor nutritivo de cultivares de chocho liberados por el Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias (INIAP) y se compara con sus valores en presencia de antracnosis (INIAP,2007).
Reacción cruzada del huésped con otro cultivo nativo andino, brindan nuevos conocimientos para el manejo de enfermedades y para el establecimiento de estrategias de mejoramiento adecuadas. En Ecuador no se conocían variedades resistentes o tolerantes a la antracnosis como variedades locales de alto rendimiento y, por lo tanto, se decidió evaluar la susceptibilidad a la antracnosis y el rendimiento de un número limitado de cultivares de chocho liberados por el INIAP y estudiar el desarrollo de la enfermedad para determinar los puntos críticos en el proceso de infección. La infección por antracnosis se evaluará en semilla naturalmente infectada y plantas en un estado fenológico específico que permita clasificar las plantas de chocho según su nivel de tolerancia.
La investigación contribuirá a desarrollar una variedad de chocho mediante mejoramiento genético con resistencia a antracnosis, además aportar al conocimiento de los diferentes ecotipos y variedades del país, su nivel de adaptación a las características ambientales presentes, buscando obtener nuevas plantas de chocho con características superiores al ecotipo local, los cuales puedan ser cultivados por los agricultores, mejorando así su producción local y sus ingresos económicos. Buscando así el establecimiento de mejores prácticas de producción de semillas con resistencia a la antracnosis. Por medio de la socialización a los agricultores se transmitirá estos nuevos hallazgos a sus familias, que aporte al desarrollo de redes locales sólidas para la producción, de chocho de alta calidad.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
Desarrollar una nueva variedad de chocho con alta resistencia a antracnosis para la obtención de semillas y plantas de calidad que beneficien a los agricultores.
2.2. Objetivos específicos
· Seleccionar plantas de chocho, con buenas características agronómicas, resistentes a antracnosis en 2 genotipos de chocho que sirvan como padres para el desarrollo de variedades resistentes.
· Realizar cruzamientos entre parentales resistentes de dos variedades de chocho Tanjil e INIAP 450 Andino, mediante cruzamientos dirigidos.
· Incrementar la resistencia presente en la planta y semilla, generando una mejor adaptación de las especies, por medio de modificaciones del genotipo.
3. Hipótesis
H1 El hibrido desarrollado mediante cruzas entre distintas variedades de lupinus permite obtener líneas con mayor grado de resistencia a antracnosis mejorando el ciclo de producción del cultivo.
H0 El hibrido desarrollado mediante cruzas entre distintas variedades de lupinus no permite obtener líneas con mayor grado de resistencia a antracnosis mejorando el ciclo de producción del cultivo.
4. REVISIÓN DE LITERATURA
4.1. Descripción morfológica
El chocho es una leguminosa de alto valor nutritivo, que se distingue por su alto contenido de proteína (>40%), cultivado entre 2800 y 3600 m s.n.m. El chocho es una especie autógama y de polinización cruzada, pudiendo alcanzar hasta el 40% de alogamia; dependiendo de las condiciones ecológicas donde esté creciendo (Ortega y Tamayo, 1995). (Lupinus angustifolius) oriundo de la zona mediterránea. Actualmente se cultiva en el norte de Europa, es la especie de mayor distribución cultivada en el oeste de Australia, tipo semi-silvestre hasta una planta cultivable, fue realizado en menos de 15 años. Se cuenta con varias variedades dulces y con buenos rendimientos. Requiere temperaturas moderadamente frías en estado vegetativo, mín 2-9ºC y máx 19-32ºC. Es resistente a heladas. Los rendimientos varían considerablemente con el tipo de suelo (Musco et al., 2017)
4.2. Resistencia de Plantas contra Enfermedades
La resistencia de las plantas a las enfermedades frecuentemente resulta de la interacción específica de genes de resistencia
(R) de las plantas con los correspondientes genes de avirulencia (Avr) de los patógenos (García y Lozoya, 2004).
4.3. Mecanismos de defensa
La resistencia de las plantas se correlaciona con la capacidad de respuesta de una planta hacia un organismo patógeno, los mecanismos de defensa que utilizan la plantas se pueden dividir en: a) mecanismos de defensa preexistentes o constitutivos, formados por las características estructurales de la pared celular y la presencia de compuestos químicos depositados en el tejido epidérmico, y b) mecanismos de defensa inducibles, formados por la síntesis de nuevos compuestos químicos antimicrobianos, cuya síntesis se activa después de un intento de invasión al tejido vegetal por un patógeno (García y Lozoya, 2004). Para que la planta sea capaz de reconocer de manera eficiente a un patógeno, y por lo tanto de activar las respuestas de defensa apropiadas, existen receptores localizados en la membrana plasmática de las células vegetales encargados de activar las respuestas de defensa (García, 2004).
4.4. Genes de resistencia
Los patógenos producen una gran diversidad de señales y algunas de estas son detectadas por las plantas. Los genes de los patógenos que producen estas señales se denominan genes de avirulencia (Avr) si sus productos activan una respuesta de defensa en una planta con un gen de resistencia (R) apropiado (Lozoya, 2004). El resultado de esta interacción es la manifestación de la resistencia de la planta. Sin embargo, ante cualquier modificación a esta interacción, la planta manifiesta una respuesta de sensibilidad al patógeno y se puede establecer una enfermedad (García y Lozoya, 2004). En esta especie Lupinus angustifolio, el cultivar Tanjil, ha sido ampliamente utilizado para el mejoramiento de la resistencia a la antracnosis. Su resistencia está controlada por un solo gen dominante, Lanr1, mapeado en el grupo de enlace (LG) NLL-11, y su secuencia está localizada en un solo Scaffold_133( Hane et al, 2017).
4.5. Resistencia del chocho a la antracnosis
Desde la década de 1990, el mayor desafío en la mejora del lupino ha sido el aumento de la resistencia hacia la antracnosis (Riegel et al, 2008). Por lo general, los ensayos de inoculación para la detección de genotipos tolerantes a la antracnosis se han llevado a cabo sólo con una cepa, asumiendo la baja diversidad de patógenos (Riegel et al, 2008). Sin embargo, este procedimiento puede ser peligroso y no contribuye a una tolerancia perdurable de los cultivares, teniendo en cuenta la existencia de muy diversos haplotipos de C. acutatum.
4.6. Variación alélica entre genes R
Muchos patógenos vegetales pueden mutar con relativa facilidad de avirulentos a virulentos, y vencer la resistencia mediada por genes R específicos. La respuesta de las plantas a esta rápida evolución de los patógenos resulta en la generación de nuevas características de resistencia para garantizar la sobrevivencia de la planta. En poblaciones vegetales silvestres, el polimorfismo en los genes R puede exceder grandemente al polimorfismo de otros genes no relacionados. Estudios genómicos y genéticos para analizar la evolución y el origen de la variación de los genes R demostraron que muchos de ellos, pero no todos, se encuentran agrupados en el genoma vegetal. El agrupamiento de estos genes puede permitir la generación de nuevas características de resistencia a través de la recombinación genética (García y Lozoya, 2004).
4.7. Variabilidad y diversidad genética
Peralta, et,al (2010) menciono que el cultivo de chocho tiene una gran variabilidad genética, y morfología de los diferentes ecotipos como consecuencia de su adaptación a las diversas condiciones medioambientales de las regiones del Ecuador; así como también en el contenido químico de los granos y la tolerancia a enfermedades y plagas. Peralta, et al (2010) señala que las variedades nativas en Ecuador son – 450 Andino e Iniap- 451 Guaranguito que se encuentran conservando en varias colecciones de trabajos, en universidades y centros de investigación. El Instituto Nacional de Investiagacion Agropecuaria (INIAP) en el 2020, se encontraban 634 accesiones.
4.8. Factores que influyen en la aparición de antracnosis
Este cultivo, si es sembrado en zonas o en épocas con alta precipitación, es afectado por la antracnosis (Colletotrichiini acutatum), la cual ocasiona pérdidas de hasta el 100% (Falconi, 2012). La alternativa más apropiada para el control es la resistencia genética, para lo cual se realizó una exploración de fuentes de resistencia en 634 accesiones de la colección de germoplasma de Lupinus del INIAP, sin identificarse plantas resistentes. Una de las alternativas más difundidas entre los agricultores es el control químico; realizándose las aplicaciones en floración o en etapas tempranas del cultivo cuando la enfermedad se presenta (INIAP, 2018).
4.9. Método de mejoramiento por Hibridación
Este modelo se sustenta en el cruzamiento de individuos con diferentes genotipos para lograr obtener las características de los genes deseables en la nueva generación. Este método se usa como principal estrategia para mejorar las especies ya existentes en especies superiores. Para obtener buenos resultados, se seleccionan los progenitores, teniendo en cuenta las características que se desea mezclar (Angulo & Ortiz, 2020). La hibridación puede combinar las características biológicas de especies distantes, que rompe los límites de las especies y amplifica variaciones genéticas dando como resultado la creación de nuevas variedades (Liu et al., 2020). Se puede clasificar a la hibridación en dos tipos en función de los tipos de cultivos involucrados: la hibridación interespecífica o también llamada hibridación a distancia y la hibridación intraespecífica o llamada hibridación cercana.
4.10. Retrocruzamiento
El retrocruzamiento tiene como finalidad conseguir variedades resistentes a cualquier patógeno o enfermedad, así como la modificación de características cualitativas, este método tradicional nos permite lograr la modificación de cualquier carácter, sólo sí presenta una alta tasa de heredabilidad (Arteaga, 2011). En un retrocruzamiento, tenemos 2 factores importantes, el progenitor recurrente y el progenitor donante. El primero conserva casi la totalidad del genotipo y es con quién se cruza sucesivamente al híbrido. En cambio, el segundo a partir del cual se intenta transferir uno o más genes al progenitor recurrente. (Lea, 2017).
4.11. Pedrigree
Este método se basa en el aislamiento del mejor genotipo, debido a que se seleccionan las plantas que presenten mejores características, logrando así presentarlas como nuevos cultivos. En la figura 3, podemos observar un diagrama de la selección mediante el método genealógico (Vallejo & Salazar, 2016).
5. MATERIALES Y MÉTODOS
5.1. Ubicación del ensayo
El presente estudio se realizó en el cantón Mejía localizado en la provincia de Pichincha, sector Cutuglahua, Panamericana Sur Km. 1 en la Estación Experimental Santa Catalina del Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias (INIAP) ubicado a 3050 m.s.n.m., Latitud: 0°22’S, Longitud: 78°33’0.
5.2. Material vegetal
El material utilizado para este estudio fue semillas de la variedad Tanjil considerada como el progenitor masculino y la variedad INIAP 450 Andino, como el progenitor femenino, los mismo que se sembrarán y posteriormente se realizará cruces para la obtención de híbridos. Las semillas seleccionadas suponen una presión de selección del 10%.
5.2.1. Descripción característica de la variedad Lupinus Mutabilis (INIAP 450 Andino) susceptible.
Es una variedad de chocho o lupino de habito de crecimiento herbáceo, de grano grande de color blanco-crema. Variedad precoz que se cosecha entre los 6 y 8 meses. Produce entre 1 y 3 t/ha, en ambientes favorables (22 a 66 qq, por hectarea. La variedad no presenta resistencia genética a enfermedades que afectan el cultivo como antracnosis.
5.2.2. Descripción característica de la variedad Lupinus Angustifolius (TANJIL) (resistente) donador
Tolerante a enfermedades foliares, excelente calidad del grano, tamaño mediano a grande, color blanco en seco y crema en grano cocido, de ciclo intermedio de cultivo, los hallazgos son notables y revelan el potencial de combinar floración temprana/resistente a la antracnosis para cumplir con la capacidad de rendimiento, importante en la mejora genética y el uso de esta especie para la producción sostenible de proteínas
5.2.3 Características monogénicas
Todos los genes sirven de patrón para la producción de diferentes proteínas y juntos proporcionan la información necesaria para su estructural y sus funciones. Cuando uno de ellos es anormal, puede producir una proteína anormal o en cantidades anormales que altere estas funciones. Las alteraciones se producen en la secuencia de ADN de un solo gen mediante un patrón dominante, recesivo o ligado al cromosoma X.
5.3. Marcadores satelitales
En las plantas, los microsatélites se localizan en regiones no repetitivas del ADN, es decir, en regiones anteriores a la expansión del genoma. A pesar de ello, están localizados uniformemente a lo largo del genoma, aunque son muy variables en el número de unidades repetidas entre individuos (Triguero, 2012).
5.4. Fase de laboratorio
5.4.1. Cruzamientos dirigidos
5.4.1.1 Híbridos
El presente proyecto de mejora genética para buscar una variedad de chocho con mayor resistencia y mejor calidad de la semilla en menor ciclo de producción a través de cruzamientos entre la variedad INIAP 450 andino con la variedad Tanjil de característica tolerante a enfermedades y excelente calidad del grano, y del empleo de técnicas de microsatélites. El material se obtendrá a través de siembra de las semillas, y se realizó 200 cruces para la obtención de híbridos.
5.4.1.2 Selección por pedigree
Se realiza selección mediante los marcadores microsatélites en los cuales se va escogiendo los híbridos que presenten los genes de mayor resistencia seleccionando las 150 mejores plantas.
5.4.1.3 Retrocruzamiento
Para fijar las características comerciales de la variedad INIAP 450 Andino se procede a realizar 3 retrocruzas. La primera retrocruza se hará con F1 y el padre donante (Variedad Tanjil), en la cual se obtendrá el 25% de genes de F1 y 50% de genes del padre donante, se eliminará los especímenes que no son de interés y se seleccionaran 80 semillas para una nueva retrocruza. En la segunda retrocruza con el padre donante y la F1 obtenida se obtendrá 12,5% de genes de la F1 y 87,5% de genes de Tanjil, se eliminará los especímenes que no son de interés y se seleccionaran 40 semillas para una nueva retrocruza. se eliminará los especímenes que no son de interés y se seleccionaran 100 semillas para una nueva retrocruza.. En el tercer cruce del padre donante con la F2 obtenida se tendrá un 6,25% de genes de la F3 y 93,75% de genes del padre donante se eliminará los especímenes que no son de nuestro interés y se seleccionaran las mejores 20 semillas.
5.5. Fase de campo
5.5.1 Selección clonal
Se realiza una evaluación de los 20 clones generados en la tercera retrocruza que durara un periodo de 2 a 3 años en campo (bajo invernadero), transcurrido este tiempo se realiza la selección clonal de los híbridos obtenidos se evalúa las características agronómicas y la resistencia a antracnosis, se elimina todos los especímenes que no es de interés.
5.6 Socialización con agricultores
A partir del sexto año se empezarán a realizar ensayos demostrativos a escala comercial con la semilla obtenida a los productores en las provincias de Cotopaxi, Chimborazo, Pichincha e Imbabura. En donde se pretende mostrar los resultados de la obtención de un cultivar chocho con mayor grado de resistencia y mejor calidad de grano.
5.7. Esquema de mejoramiento para el desarrollo de una variedad de chocho a través de cruzamientos dirigidos entre Lupinus Mutabilis (INIAP 450 Andino) x Lupinus Angustifolius (TANJIL)
RESULTADOS
La variedad mejorada se proporcionará, a los agricultores cultivos adaptados al máximo. Para esto se requirió combinar características positivas en una sola variedad. Entre las propiedades deseadas se incluyen un buen rendimiento, resistencia a patógenos, un contenido de almidón y una buena verticalidad en el campo. Para poder combinar todas estas propiedades en una sola variedad, se cruzaron plantas progenitoras con las características deseadas. Esto crea una generación filial.
En el mejor de los casos, en esta generación habrá algunas plantas que presentarán los rasgos positivos de ambos padres. Es solo en este caso que el experimento de cruce tiene el resultado deseado. En un paso posterior, se cruzan esta descendencia con otras plantas que tienen otras propiedades de interés. Después de varias etapas de cruzamiento, se crea una nueva línea que, en última instancia, combina todas las características beneficiosas y, después de varias fases de prueba, puede registrarse como una nueva variedad. Este proceso requiere mucho tiempo y trabajo. Debe planearse e implementarse con disciplina durante varios años.
7. PRODUCTOS
A través de la creación de una nueva variedad de chocho resistente a antracnosis, es posible producir más con menos recursos, es decir si una variedad es resistente a una plaga se usan menos plaguicidas, por lo que el agricultor gasta menos, su producción sería buena y garantiza protección para el medio ambiente. Pero las nuevas variedades no solo ayudan a los agricultores, también aporta beneficios al consumidor, pues les permite tener acceso a productos que aportan mayores nutrientes.
Los principales beneficios de la creación de una nueva variedad de chocho es generar mayor producción logrando autosuficiencia alimentaria para una población creciente, enfrentando los desafíos agrícolas con mejores rendimientos y mayores resistencias a plagas y cambios climáticos, con una menor huella agrícola en el medio ambiente.
8.
CONCLUSIONES
Estos recursos son críticos para el mejoramiento de especies, son recursos valiosos para la clonación, hibridación y mejoramiento basado en cruzas y el análisis funcional de rasgos en lupino. Facilitarán en gran medida el desarrollo de herramientas moleculares y genéticas para identificar y caracterizar los genes implicados en la mejora de los cultivos de chocho y en la explotación del cultivo para la nutrición humana. Además, estos recursos proporcionan un marco para una genómica comparativa adicional entre los lupinus y otras leguminosas. Con este mejoramiento genético se obtiene un cultivar comercial con mayor nivel de resistencia que contribuye al aumento de la demanda en el mercado nacional frente a importaciones. Para que el estudio de mejoramiento proyecte factibilidad agronómica adecuada del germoplasma obtenido, se pretende adaptar el cultivar a diferentes medios primero, bajo condiciones de invernadero y una vez obtenidos resultados positivos, se implementaría en parcelas de agricultores de las zonas más productoras de chocho en el Ecuador.
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