MEJORAMIENTO GENETICO DE QUINUA (Chenopodium quinoa Willd.) VARIEDAD PASANKALLA EMPLEANDO INDUCCION DE MUTACIONES 1 1 1 Luz Gómez- Pando , Ana Eguiluz y Jose Falconi RESUMEN La quinua (Chenopodium quinoa Willd.) Es un alimento básico producido principalmente por pequeños agricultores de subsistencia de la región altoandina del Perú. Semillas seca del cultivar Pasankalla fueron irradiados con dosis de 150 Gy, 250 Gy y 350 Gy de rayos gamma, respectivamente. En la generación de M1, el proceso de germinación fue más lento con el aumento de la dosis de radiación. Del mismo modo la altura de plántula, longitud de raíz y el desarrollo de las hojas fueron más reducidos en la dosis más alta y no hubo supervivencia de las plantas en la dosis de 350 Gy. En la generación M2 el mayor espectro de mutaciones de clorofila se observó en la dosis de 150 Gy y la frecuencia máxima en la de 250 Gy. El tipo chlorina, fue el predominante seguido por el tipo xantha. Las mutaciones registradas en las dos dosis fueron en la ramificación, longitud de pedicelos, reducción de altura de planta y ciclo de vida, el color del tallo y hojas de plantas, forma de hoja y mejor tipo de planta. Se observó más de dos tipos de mutaciones por planta, especialmente en la dosis de 250 Gy. En la generación M3 se encontró el mismo espectro de mutaciones siendo, a este nivel lo más valioso, las mutaciones en altura de planta, ciclo de vida y color de grano. Palabras claves: Chenopodium quinoa, rayos gamma, mutaciones INTRODUCCIÓN La quinua (Chenopodium quinoa Willd.) es un cultivo valioso de la región andina. Su valor nutritivo radica en que posee una proteína altamente nutritiva con un balance excepcional de aminoácidos muy cercano al de una proteína perfecta, recomendada por la FAO (Repo- Carrasco et al., 2003; Aluko y Monu, 2003; Abugoch, et al., 2009). Su valor agronómico, se basa en su rusticidad que le permite tolerar condiciones de clima adverso caracterizadas por sequías y bajas de temperatura frecuentes y prosperar en suelos de baja fertilidad y muchas veces con problemas salinos (Risi, 1984; Jacobsen, et al., 2003). Su valor económico radica en el precio de kilo mayor que el de los cereales y tuberosas y sus posibilidades de exportación (http://www.minag.gob.pe/estadistica-agraria-mensual/htm/). Considerando que el Perú tiene problemas graves de desnutrición y pobreza es necesario incrementar el área de cultivo de la quinua, una de las formas de lograrlo es mediante la revaloración de este cultivo, desde el punto de vista nutritivo, agronómico y económico de tal modo de estimular su siembra. En el Perú se cultivan aproximadamente 33,120 has, conducidas por pequeños agricultores y mayormente para autoconsumo. De este total el 70% esta ubicado en el Departamento de Puno y el resto en pequeñas áreas de los otros departamentos como Junín y Huancavelica que siembran 1028 y 477 has respectivamente (http://www.minag.gob.pe/estadistica-agraria-mensual/htm/). El rendimiento de las variedades sembradas en Junín y Huancavelica fluctúa entre 1,395 y 936 kg/ha. Mejorar estos rendimientos puede lograrse de diversas maneras entre las que destaca la introducción o el desarrollo de nuevas variedades mejoradas. La variedad Pasankalla fue desarrollada en Puno, donde es ampliamente aceptada por su precocidad, alto potencial de rendimiento y calidad y aceptación por los consumidores y exportadores (inia.gob.pe/notas/nota0126). Fue introducida a Junín y Huancavelica y mantuvo su precocidad y tuvo un rendimiento menor que las locales en condiciones normales de cultivo y un mejor rendimiento en zonas más altas y siembras tardías. 1 Universidad Nacional Agraria La Molina (Facultad de Agronomía, Programa de Cereales y Granos Nativos)
[email protected] Sin embargo, no ha sido totalmente aceptada principalmente por el color de sus granos (perigonio plomo y pericarpio rojo marrón), en esta zona se siembran solo variedades de granos blancos o cremas. Una forma de cambiar el color de grano de esta variedad que tiene una buena combinación de caracteres es a través de la inducción de mutaciones. Según la base de datos del OIEA, hay más de 2500 variedades mutantes de más de 170 especies diferentes (http://www-mvd.iaea.org/MVD/default.htm). Hay muchos informes que señalan el mejoramiento de diversos caracteres empleando la inducción de mutaciones con rayos gamma, especialmente en cereales, leguminosas, oleaginosas, fibras vegetales, hortalizas y plantas ornamentales (Ahloowalia et al., 2004; Chopra, 2005; Adekola y Oluleye, 2007; Fu, et al., 2008). En base a lo anteriormente señalado se realizó el siguiente trabajó de investigación cuyos objetivos fueron: 1.- Determinar las dosis que inducen mutaciones en la variedad Pasankalla 2.- Identificación de líneas mutantes valiosas. LOCALIDADES EXPERIMENTALES Las generaciones M1 y M2 se sembraron en los campos experimentales de la Universidad Nacional Agraria de La Molina, Lima- Perú, siguiendo el protocolo descrito en el Manual de Mutaciones del OIEA (1977). La generación M3 fue instalada bajo la modalidad de planta /parcela, en el Fundo San Juan de Yanamuclo del Instituto Regional de Desarrollo de Sierra, Junín. El manejo del campo experimental fue similar al de un campo comercial y manteniendo el aislamiento respectivo. Los trabajos de laboratorio se realizaron en las instalaciones del Programa de Cereales y Granos Nativos de la Universidad Nacional Agraria de La Molina. MATERIALES Y MÉTODOS Material Genético: Variedad de Quinua INIA 415 – Pasankalla, liberada por el INIA el año 2006. Posee alto valor nutricional, excelente calidad de grano para la transformación agroindustrial y con rendimientos superiores a las tres toneladas por hectáreas (t/ha) en campo de agricultores. Es precoz pues su período vegetativo dura sólo 140 días, en comparación a la quinua del agricultor que requiere de 180 días para su cosecha. Además, esta nueva variedad tiene un grano de color rojo marrón y sabor dulce, de dos milímetros de diámetro, contiene 17.4% de proteínas y al ser procesada, puede llegar a reventar como “pop corn”. Es una quinua con caracteres de exportación. Métodos: Irradiación: Se irradiaron con rayos gamma, 200 gramos de semillas con 12% de humedad para cada dosis. Las dosis fueron 150, 250 y 350 Gray. Evaluaciones: En la generación M1 se evaluó la radio sensibilidad de la quinua al tratamiento mutagénico a través de la germinación, crecimiento y desarrollo de plántulas. En la generación M2: Tipo y frecuencia de mutaciones de clorofila, ciclo de vida, altura de planta, tipo de planta, caracteres morfológicos, color de grano. Se siguió el procedimiento descrito en el Manual de Mutaciones del OIEA (1977) y se emplearon los descriptores de quinua del CIRF/IBPGR (1981). En la generación M3: Se volvieron a evaluar los caracteres indicados para la generación M2 con el objeto de determinar la herencia de los caracteres que presentaron cambios. Diseño Estadístico: Diseño de bloques completo randomizado, con tres repeticiones (DBCA). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Determinar las dosis que inducen mutaciones en la variedad Pasankalla El proceso de germinación en el tratamiento de control, sin irradiación, fue normal, alcanzando el 100% en 7 días. En las semillas irradiadas el proceso de germinación fue más lento en correspondencia al incrementó de las dosis (Tabla 1). A quince días de la siembra se observó una buena germinación alrededor del 99% en todos los tratamientos. La prueba de sensibilidad de la quinua a la radiación gamma también se observó en el grado de crecimiento y desarrollo de las plántulas. En la tabla 2 se puede apreciar que se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la longitud de la raíz y la altura de las plántulas del tratamiento control y todos los tratamientos evaluados (150, 250 y 350 Gy). Los grados de reducción observados fueron proporcionales al incremento de las dosis. Resultados similares han sido informados para otros cultivos (Cheema y Atta, 2003). En condiciones de campo, utilizando la escala para determinar los estados fenológicos de desarrollo de la quinua durante el crecimiento vegetativo (Limburg y Mastebroek, 1996) se observó diferencias entre los tratamientos irradiados y el control (Tabla 3). Las plantas del control y los tratamientos de irradiación de 150 y 250 avanzaron de la fase de germinación al de crecimiento vegetativo, pero no el tratamiento de 350 Gy. El número de días para formar las hojas verdaderas fue incrementándose a medida que la dosis mutagénica fue mayor. Se observó un 80% de supervivencia en el control, un 53% en el tratamiento de 150 Gy y 28% en el de 250 Gy cero o no sobrevivencia con 350 Gy. Resultados similares se informó en otros cultivos (Tabosa, et al., 2007). Tabla 1. Dinámica de la germinación de quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla irradiada con rayos gamma con las dosis de 0, 150, 250 y 350Gy. Dosis Rayos Gamma % de Germinación (Gray) 3 días 5 días 7 días 9 días 11 días 15 días 0 (Control) 53 78 100 150 30 55 71 84 99 250 25 49 63 77 84 99 350 20 41 52 68 79 99 Tabla 2. Medias promedio de la longitud de las raíces (cm) y altura de plántulas (cm) de la quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla irradiada con rayos gamma a las dosis de 0, 150, 250 y 350Gy .Prueba de Tukey: 5% de nivel de significancia. Longitud de raíces Altura de Dosis Rayos Gamma (Gy) (cm) plántulas 0 (Control) 7.230 a 3.810 a 150 4.580 b 3.050 b 250 4.070 b 2.730 bc 350 2.800 c 2.550 c El máximo espectro de mutaciones de clorofila en la generación M2 se encontró en la dosis de 150 Gy y la máxima frecuencia de mutaciones en la de 250 Gy. El tipo de chlorina (0,132%) fue el predominante y seguido por el tipo xantha (0,036). La frecuencia de las mutaciones de clorofila aumento con la dosis (Tabla 4). La obtención de mutaciones clorofílicas han sido informados por diversos autores en otras especies en los trabajos de inducción de mutaciones con diversos agentes mutagénicos (Woo et al., 1971; Montepeque et al., 1996, Sanjeev et al., 1998; Cheema y Atta, 2003; Svetleva, 2004; Hayashi et al., 2007). Por ejemplo en sésamo cuatro tipos de mutantes de clorofila se registraron: xhanta, chlorina, striata y viridis xantha (Sheeva et al., 2004). Según Swaminathan et al. (1962) y Awan y Bari, (1979) los tipos albinos seguidos del tipo xantha y virescens son las mutaciones más frecuentes. Las mutaciones de pigmentos se observaron a 150 Gy por el cambio de las hojas de cotiledón de color verde a rosa. La frecuencia fue de 0,086% (Tabla 4). Tabla 3. Tiempo de desarrollo de las hojas cotiledonales y las hojas verdaderas dentro del periodo comprendido entre la germinación y el desarrollo de hojas verdaderas de la quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla irradiada con rayos gamma a las dosis de 0, 150, 250 y 350Gy. Dosis de Rayos Estado de Germinación y desarrollo vegetativo ( Número de días) Gamma (Gray) Germinación 1 par de 2 par de 3 par de 4 par de cotiledones hojas hojas hojas hojas verdaderas verdaderas verdaderas verdaderas 0 (control) 10 8 14 18 22 150 12 14 19 27 30 250 15 18 25 30 34 350 15 - - - - Tabla 4. Mutaciones de clorofila y antocianina y frecuencia de mutación en la generación M2 de la quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla irradiada con rayos gamma a las dosis de 0, 150, 250 y 350Gy. Numero Frecuencia de Dosis (Gray) Numero plantas Tipo Mutación mutantes mutación (%) 150 55 758 Xanta 20 0,036 Chlorina 21 0,037 250 10 372 Chlorina 10 0,096 150 55 758 Color (Rosado) 48 0,086 2.- Identificación de líneas mutantes valiosas en la generación M2 y M3. Generación M2 Las tablas 5, 6 y 7 presentan todo el espectro de cambios diferentes observados en plantas de la generación M2. Para caracteres morfológicos se observaron cambios en el grado de ramificación, la longitud de pedicelos de las flores, en, el color del tallo, hojas y granos y formas de hojas. Para caracteres agronómicos se encontró reducción en altura de planta, plantas precoces y tardías y plantas con mayor vigor. Cambios similares se registraron en otras cultivos [Encheva et al., 2003; Chopra, 2005; Chen et al., 2008). En la dosis de 150 Gy las frecuencias más altas correspondieron a plantas más vigorosas (0, 086%) y de ramificación (0, 085%). En el tratamiento con 250 Gy las frecuencias más altas fueron para las plantas con granos de color crema (0, 48%), el follaje de color verde claro (0, 56%). Se observaron las mismas mutaciones en ambas dosis pero la frecuencia mayor en la dosis más alta y mayor número de mutaciones en una misma planta. Tabla 5. Plantas de quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla seleccionadas en el material irradiado por un cambio observado (probable mutación) con referencia al testigo sin irradiar. Plantas seleccionadas por un cambio No. plantas Frecuencia (%) Vigor 48 0,0864 Reducción de altura 1 0,0018 Plantas precoces 29 0,052 Ramificación 47 0,0846 Color de follaje verde claro 25 0,045 Estrías púrpuras y hojas anormales 5 0,009 Plantas tardías 2 0,0036 Flores pediceladas 1 0,0018 Tallos púrpura 1 0,0018 Tabla 6. Plantas de quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla seleccionadas en el material irradiado por dos cambio observados (probables mutaciones) con referencia al testigo sin irradiar Plantas seleccionadas por un cambio No. plantas Frecuencia (%) Vigorosa y precoz 11 0,0198 Vigorosa y púrpura 3 0,0054 Vigorosa y más alta 1 0,0018 Vigorosa y con flores pediceladas 1 0,0018 Vigorosa y ramificada 6 0,0108 Vigorosa y con follaje verde claro 10 0,018 Menor altura y precoz 2 0,0036 Menor altura y con follaje verde claro 8 0,0014 Ramificada y con estrías purpuras en el tallo 1 0,0018 Ramificada y más alta 4 0,0072 Ramificada y más baja 9 0,0162 Ramificada y con follaje verde claro 10 0,018 Precoz y con follaje verde claro 2 0,0036 Tabla 7. Plantas de quinua (Chenopodium quinoa Willd) variedad Pasankalla seleccionadas en el material irradiado por tres cambio observados (probables mutaciones) con referencia al testigo sin irradiar Plantas seleccionadas por tres cambios No. plantas Frecuencia (%) Ramificada, más alta y con estrías púrpuras en el 1 0,0018 tallo Ramificada, follaje color verde claro y menor altura 1 0,0018 Generación M3 Se observaron los mismos cambios en las progenies de las plantas seleccionadas en la generación M2. Las mutaciones útiles bajo este contexto son: La reducción de altura, ha sido informada en otras especies y los genes de enanismo pueden ser útiles en programas de mejoramiento ya que pueden reducir los problemas de acame de las variedades tradicionales altas (Singh, 1979; Kinoshita, 1991; Maluszynski et al., 1999; Yamaguchi, 2001; Rutger, 2006). La mutación en ciclo de vida, por efecto de la aplicación de agentes mutagénicos han sido informados por muchos autores en otras especies (Donini, et al., 1984; Ando, 1986; Tulmann y Alves, 1997; Maluszynski et al., 1999). El cambio de color de grano de rojo marrón a blanco cremoso. Es la mutación más valiosa en esta etapa de la investigación. Los granos de Pasankalla tienen la propiedad de explosionar al ser tostadas en forma similar al maíz “pop corn”. Esta característica se mantiene en los mutantes. En el trigo de obtuvo este tipo de mutación de color de grano de rojo a crema en las variedades Sonora 64 (Chopra, 2005), Pusa Lerma (Swaminathan, 1964), Tonari 71 (Sawhney 1977) Los mutantes seleccionados serán evaluados por su comportamiento agronómico en las próximas generaciones. CONCLUSIONES Las dosis de 150 y 250 Gray de rayos gamma inducen mutaciones de caracteres morfológicos y fisiológicos en la variedad Pasankalla. Se identificaron mutaciones útiles como reducción de altura de planta, cambio en el ciclo de vida y color de granos. AGRADECIMIENTOS Esta investigación fue apoyada por: Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) - PROYECTO PER/5/30 "Mejoramiento Genético de la quinua (Chenopodium quinoa), kiwicha (Amaranthus caudatus) con la mutación de inducción y Biotecnología". El Proyecto de Investigación y Extensión Agrícola –INCAGRO. Innovación y Competitividad para el Agro Peruano. Ministerio de Agricultura: Sub-proyecto "Mejoramiento Genético de la Quinua para el Desarrollo Sostenible del Cultivo en la Sierra Central" BIBLIOGRAFÍA Abugoch, L.; Castro, E.; Tapia, C.; Añón; M.C.; Gajardo; P.; Villarroel, A. 2009. Stability of quinoa flour proteins (Chenopodium quinoa Willd.) during storage. Int J Food Sci Technol 44: 2013-2020. Adekola, O.F.; Oluleye, F. 2007. Influence on mutation induction on the chemical composition of cowpea Vigna unguiculata (L.). Walp. 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