Characterization of red rice comes from lots of rice seed part II

Aída Ortiz Domínguez *, Antonio Pérez**, Jesús Ochoa*** y José Vicente Lazo****

* Profesora Agregado y

**** Profesor Titular. Universidad Central de Venezuela. Facultad de Agronomía. Maracay. Aragua. E-mail: ortiza@agr.ucv.ve, josevicente.lazo@gmail.com.

**Técnico Agregado a la Investigación e

***Investigador II. INIA. CIAE-Portuguesa. Araure, estado Portuguesa. E-mail: jochoa@inia.gob.ve

RESUMEN

A pesar de las medidas preventivas, actualmente utilizadas, para evitar la contaminación, la producción de semilla de arroz, Oryza sativa L., en Venezuela está siendo seriamente amenazada por la presencia de arroz rojo (AR). El objetivo de este trabajo fue clasificar los AR provenientes de lotes de semilla certificada de arroz en el estado Portuguesa, según el grado de afinidad con las variedades FONAIAP 1, FEDEARROZ 50, D-Sativa; ZETA 15® y Cimarrón. Se evaluaron las características de morfología de la planta y de los granos. A los datos obtenidos se les aplicó un análisis multivariado por componentes principales y de conglomerados de árbol jerarquizado, usando la distancia Euclidiana. El análisis de conglomerado mostró que se formaron 7 grupos, de los cuales los primeros cuatro correspondieron a 32 AR y 1 silvestre (O. rufipogon), que se pudieron diferenciar y no se asemejaron a las variedades, mientras que los últimos tres grupos tuvieron 15 AR (32%), los cuales se pueden considerar varietales debido a su alta afinidad con las variedades de arroz evaluadas en este estudio. Por su gran parecido en altura de planta y floración con el arroz cultivado, se considera que 29 AR (60,41%) pertenecientes a los grupos I y III, pudieran estar evolucionando hacia formas varietales. Solamente se encontró 8,33% de AR con características contrastantes con las variedades de arroz.

Palabras Clave: Arroz; Oryza sativa L.; arroz rojo;varietales; producción de semilla.

Red rice (RR) continues to be a serious threat to rice seed production, Oryza sativa L. The objetive of this work was to classify RR coming from lots where certified rice is grown, according to their affinity with the varieties of rice FONAIAP 1, FEDEARROZ 50, D-Sativa; ZETA 15^® and Cimarrón. Some morphologic characteristics of the plant and grain were evaluated following rice variety descriptor, using Multivariate analysis for principal component and Hierarchical clustering (Euclidian distance). The cluster analysis showed that 7 group were formed. The first four of them corresponded to 32 RR and 1 wild rice (Oryza rufipogon), which could be easily distinguished from the varieties. The last three groups had 15 RR that could be considered as weedy rice-variety types due to their affinities with the varieties evaluated in this study. Due to its great similarity in plant height and flowering time with rice varieties, it is considered that 29 RR (60.41%) included in the groups I and III, could be evolving towards Weedy rice-variety types. Only 8.33% of RR had substantial differences in morphologic characteristics with the rice varieties evaluated.

Key Words: Rice; Oryza sativa L.; red rice; Weedy rice-variety types; seed production.

RECIBIDO: noviembre 21, 2006 APROBADO: febrero 14, 2007

INTRODUCCIÓN

El arroz rojo (AR) representa actualmente uno de los problemas más graves en la producción de semilla de arroz, Oryza sativa L., en Venezuela, al cual hay que buscarle solución de manera urgente para reducir los niveles de infestación de las áreas arroceras.

En la literatura mundial se hace mención de que el AR se conoce desde hace varios siglos. Trabajos, particularmente desde India, describen al AR como un tipo silvestre que se desarrolla a lo largo de los bordes de los campos y canales. Diferentes estudios han incluido al AR dentro de la misma especie del arroz cultivado (O. sativa L.), sin embargo, los científicos se han puesto de acuerdo en que el origen del AR se debe al grupo complejo de arroz silvestre O. sativa L. Var. fatua Prain y ha sido modificado grandemente desde su introducción por hibridación natural con el arroz cultivado (Craigmiles, 1978). Sin embargo, Oka y Morishima (1999), aducen que se debería llamar complejo O. perennis al antecesor de los arroces silvestres en el mundo a pesar de que no es taxonómicamente correcto, pero ayuda a evitar la confusión que se ha generado.

Así mismo, se considera que el AR se puede clasificar en dos grupos según su origen, uno desarrollado simpátricamente con el arroz silvestre y variedades de arroz y el otro también de manera simpátrica con el arroz cultivado solamente. Se estima que el arroz maleza ha sido seleccionado desde los híbridos naturales entre el arroz silvestre y los cultivares de arroz, formándose tipos, por ejemplo, como los que se desarrollan adentro del arrozal, que se parecen más a las variedades, y los que se establecen en las afueras que se parecen a los silvestres, estas diferencias de caracteres entre plantas adentro y afuera sugiere que el arroz maleza tiene una flexibilidad genética con la cual responde morfológicamente a las condiciones exteriores. Aunque aún no se ha determinado si el arroz maleza ha evolucionado desde formas silvestres a cultivares. Las poblaciones de malezas afines genéticamente que acompañan al cultivo sirven como reservorio de genes que podrían ayudar a la evolución del mismo (Oka y Morishima, 1999).

En la especie O. sativa hay un amplio rango de la matriz, sombra y patrones de coloración del pericarpio del cariópsis; estas variaciones incluyen colores como púrpura, rojo, marrón y amarillo, parciales o completas, así como pueden presentarse moteados o lunares sobre el cariópsis (Takahashi, 1997).

El control genético de la coloración del pericarpio se debe a dos sistemas génicos: el primero se refiere a los genes RcRd, donde Rc controla las manchas rojizas en un fondo marrón y Rd distribuye el color en toda la superficie del pericarpio. Rc posee múltiples alelos que ejercen una acción intensiva en la coloración roja de mayor a menor Rc > Rc^s > Rc⁺. La interacción entre los alelos Rc y Rd muestran diferentes colores, así se tiene que: (1) RcRd da una coloración roja bien uniformemente distribuida en la superficie del grano; (2) Rc^sRd expresa un color rojo claro uniformemente distribuido en la superficie del grano; (3) RcRd⁺ se presenta manchas rojizas (moteado) sobre un fondo marrón y (4) Rc⁺ Rd y Rc⁺ Rd⁺ da un color blanco o beige (Takahashi, 1997).

La pigmentación del pericarpio en arroz esta controlado por los genes Rc y Rd que se encuentran ubicados en el cromosoma 7, a 52cM de arriba y 65 cM de abajo, respectivamente, Gu et al. (2004).

Los compuestos antocianínicos que dan la coloración púrpura al pericarpio en las variedades índicas son cianidina y peonina, mientras que en variedades japónica se ha encontrado malvidina. En las variedades de pericarpio rojizo-marrón el compuesto encontrado es proantocianina (Reddy, 2005).

El pigmento que se origina de los genes Rc y Rd en arroz es proantocianina el cual es producido por un bloqueo en la ruta de la biosíntesis de antocianinas, donde el leucocianidina no se transforma en cianidina, sino que pasa a catecina y luego se transforma a proantocianina. Aún no está completamente dilucidado como es el bloqueo de la ruta de biosíntesis de antocianinas, pero como no se acumula leucoantocianinas u algún otro flavonoide en el pericarpio se cree que la restricción ocurre al principio de la ruta (Reddy, 2005).

Así mismo, se ha determinado que el gen Rc esta ligado con los genes que codifican el desgrane y la latencia y se ha señalado que 14 pares de bases en el exon del gen Rc se encuentran presente en los AR y ausente en las variedades de arroz la cual se considera una mutación por delección. Este descubrimiento puede usarse como un marcador molecular específicamente en la secuencia polimorfita de estas 14 pb dentro del gen bHLH para observar la contaminación con AR en lotes de semillas certificadas (Sweeney et al., 2006).

Este estudio se planteó con el fin de hacer un aporte sobre la biología del AR proveniente de lotes de semilla certificada de manera de tener herramientas para orientar a los productores de semillas sobre está problemática en el estado Portuguesa.

El objetivo de esta investigación fue clasificar los AR provenientes de lotes de semilla certificada según el grado de afinidad con las variedades de arroz, en el estado Portuguesa.

MATERIALES Y MÉTODOS

En esta investigación se caracterizaron las plantas que se originaron de los cariópsis de arroz que mostraron el pericarpio de color rojo encontrados en los lotes de semillas sujetos a certificación del programa del Servicio Nacional de Semillas (SENASEM) en el Laboratorio de Semilla del Instituto de Investigaciones Agrícolas- Araure, en el estado Portuguesa.

Estos cariópsis fueron llevados al Laboratorio de Semillas de la Facultad de Agronomía-UCV (UCVFAGRO) y se sembraron sobre papel toalla en potes plásticos con malla, regándose con agua destilada, para aplicarseles una solución de carboxin + thiram al 1% todos los días hasta que alcanzaron de 2 a 3 hojas momento en el cual se realizó el transplante a potes contentivos de 5 kg de suelo (1 planta por pote) y se colocaron en el invernadero del Instituto y Departamento de Agronomía UCV- FAGRO. Así mismo, se sembraron en igualdad de condiciones semilla genética de las variedades Cimarrón, FONAIAP 1, Fedearroz 50, ZETA 15 y D-Sativa, las cuales fueron certificadas al momento de realizar los muestreos de cariópsis de color rojo (tratamientos control). Las variedades se sembraron 5 veces cada una.

Análisis estadísticos

Se realizó un análisis multivariado por componentes principales (CP) para determinar cuales de las variables evaluadas describieron mejor a los AR encontrados en los lotes de semilla. Además, se ejecutó un análisis estadístico de conglomerados de árbol jerarquizado, usando la distancia Euclidiana, con un criterio de agregación UPGMA en el paquete estadístico WinStat-IC, versión 1,0-2 Copyright IT CF/CIRAD.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El Cuadro 1 muestra que los 4 primeros CP permitieron explicar el 81,83% de la variación total, proporción altamente significativa del total y que reduce la dimensión de la matriz o datos originales.

El primer CP fue el que presentó la varianza más alta (36, 22%). En este componente se observó una asociación con las variables morfológicas de la planta, tales como: mac, npan; ngvp; número de granos llenos (ngll) y peso de los granos (pg). Así como otras variables asociadas a las dimensiones de los granos, relación largo/ancho tanto del paddy como del cargo (Cuadro 2).

CUADRO 1. Valores propios y proporción de la varianza explicada a partir de la matriz de varianza-covarianza.

Mac: macollos; npan: número de panículas por planta; llig: longitud de la lígula; ancho de la hoja bandera; anchb:longitud de la hojabandera; ngrnll: número de granos llenos; ngv: número de granos vanos; pgran: peso de los granos; p 1000s: peso de 1000 semillas; lpadd: longitud de los granos paddy; apadd: ancho de los granos paddy; egp: espesor de los granos paddy; lapadd: relación largo ancho^-1 paddy; lcarg: longitud de los granos cargo; acarg: ancho de los granos cargo; ecarg: espesor de los granos cargos y lacarlo: relación largo ancho^-1 cargo.* los números resaltados en negrillas representa el mayor aporte a la variabilidad del componente.

El tercer CP explicó el 13,90% de la variabilidad total y se relacionó negativamente con las variables morfológicas de la planta: npan; ngvp y ngll, así como con variables de morfología de granos y pg: longitud de los granos paddy y cargo y egp (Cuadro 2).

En la Figura 1 se observa que las variables significativas se ubicaron más cerca del círculo imaginario de radio 1, es decir, las más asociadas al componente estarán más cerca de la unidad, en este caso se ve claramente que las variables relación largo ancho de los granos paddy y cargo en el primer cuadrante y ancho de los granos paddy y cargo (acarg y apadd) en el tercer cuadrante. Otras variables de la morfología de la planta que estuvieron cerca de la periferia fueron nmact, npan y ngll.

La Figura 2 muestra la correlación entre los individuos de AR y las variedades de arroz evaluadas y los CP, donde se observa que los genotipos 26 (O. rufipogon), 53 (ZETA 15), 41 (56-04) del primer cuadrante; 30 (62-04) en el segundo cuadrante; 13 y 14 (01-04 planta 1 y 2, respectivamente) en el tercer cuadrante; y por último 4 (05-04) y 50 (FONAIAP 1) en el cuarto cuadrante se salieron del patrón de distribución de los otros individuos.

El análisis de conglomerados arrojó un dendograma (Figura 3) que muestra la formación de 7 grupos cuando se fijó un criterio de corte en la distancia Euclidiana de 50%. Estos grupos fueron organizados según sus características más relevantes y se muestran en los Cuadros 3 y 4.

Grupo I (pajizos sin arista de altura pequeña y granos medios): Formado por 20 genotipos provenientes de diferentes lotes de semilla de las variedades D-Sativa (11), Fedearroz 50 (7) y Zeta 15 (2). El grupo 1 mostró plantas pequeñas, con una producción de macollos y panículas intermedias (11 y 10, respectivamente); hábito de crecimiento y posición de la hoja bandera erecto; con hoja bandera más largas y anchas que los otros grupos; de floración tardía (103 días después de la siembra, DDS); mayor longitud de la panícula (25,20 cm); intermedia producción de granos por planta (711 semillas pl^-1), con peso de los granos intermedios (18,76 g); intermedio desgrane (23,75%); panículas semicompactas; granos de glumas de color pajizos con pericarpio rojo, semillas pesadas (25,79 g 1.000semillas^-1); longitud de los granos paddy y cargo intermedios (8,70 y 6,06 mm); mayor ancho y espesor de los granos paddy y cargo; y mayor relación largo/ancho en paddy y cargo (Cuadro 3 y 4; Figura 4).

Grupo II (negro aristado, altos y de granos medios): Se formó con 3 genotipos provenientes de semillas de la variedad Fedearroz 50, todas más altas que los otros grupos con excepción del IV; con alto número de macollos y panículas (29 y 27; respectivamente); hábito de crecimiento intermedio; posición de la hoja semierecta; longitud y ancho de la hoja bandera intermedia (24,23 y 9,33 cm, respectivamente); longitud de la panícula media (18,87 cm); alcanzó la floración de manera precoz (85,67 DDS); con una alta producción de semillas (2430,33 semillas pl^-1), con gran producción en peso de estas semilla (53,83 g pl^-1); medio porcentaje de desgrane (20,70%); panícula compacta; semillas de glumas negras con pericarpio rojo y con arista media; semillas livianas (22,38 g 1.000 semillas^-1); granos paddy y cargo pequeños (8,3 y 5,9 mm, respectivamente); ancho y espesor de los granos paddy y cargo intermedio y relación de largo/ancho^-1 intermedio (Cuadros 3 y 4; Figura 5).

Grupo III (pajizos, plantas pequeñas y de granos medios con o sin aristas): Conformado por 9 genotipos, 6 provenientes de las semillas de la variedad D-Sativa y 3 de Fedearroz 50; con altura de planta pequeña, alta producción de macollos y panículas (20,22 y 19,22, respectivamente); hábito de crecimiento y posición de la hoja bandera intermedia; longitud y ancho de la hoja bandera media (22,06 cm y 11,11 mm; respectivamente); longitud de la panícula media (21,33 cm); días a floración intermedio (90,59 DDS); Nº granos pl^-1 media (1.152 granos pl^-1); peso granos por planta medio (27,49 g); medio desgrane (20,69%); panículas compactas; glumas pajizas, pericarpio rojo, con y sin aristas; de semillas livianas (22,10 g 1.000 semillas^-1); de longitud de los granos medios (8,14 mm); ancho, espesor y relación largo/ancho^-1 medio (Cuadro 3 y 4; Figura 6).

Grupo IV (Silvestre, O. rufipogon): En este grupo solamente se encontró un genotipo proveniente del lote de semilla de la variedad Fedearroz 50 lote 35-04. Genotipo alto con gran macollamiento y producción de panículas (25 y 23, respectivamente); hábito de crecimiento intermedio y posición de la hoja descendente; longitud y ancho de hoja bandera media (22,50 cm y 10 mm, respectivamente); longitud de la panícula media (22,80 cm); floración precoz (85 DDS); con poca producción de granos (278 semillas pl^-1) y por ende poco peso de granos por planta; alto desgrane (66,23%); panículas compactas; de glumas negras con pericarpio rojo y de glumas muy largas (< 10 cm); granos muy cortos (7,7 mm), delgados con una alta relación largo/ancho (4,07), tal como se observa en los Cuadros 3 y 4; Figura 7.

Grupo V (varietales parecidos a Cimarrón y D-Sativa): formado por 10 genotipos; 5 provenientes de lotes de semillas de la variedad D-Sativa; 2 de Fedearroz 50 y 1 de FONAIAP 1. También se encuentran en este grupo las variedades Cimarrón y D-Sativa. Grupo de plantas de altura pequeña, con intermedia producción de macollos y panículas; hábito de crecimiento intermedio y erecto; posición de la hoja bandera erecta; con gran longitud y ancho de la hoja bandera (26,35 cm y 10,81 mm, respectivamente); longitud de la panícula media (22,19 cm); floración intermedia (91,77 DDS); con moderada producción de granos por planta (695,57 semillas); intermedio peso de los granos por planta; alto desgrane de algunos AR (16 a 82%) y bajo en las variedades; panículas compactas; glumas de color pajizo, con pericarpio rojo en la maleza y beige en las variedades; con o sin aristas; semillas livianas (21,79 g 1.000 semillas^-1); granos medios con inter-media relación largo/ancho (Cuadro 3 y 4; Figura 8).

Grupo VI (varietal FONAIAP 1 y ZETA 15): formado por 3 genotipos, uno proveniente del lote de semilla 56-04-03 de la variedad D-Sativa, los otros dos fueron las variedades FONAIAP 1 y ZETA 15. Este grupo mostró plantas de altura pequeña, inter-media producción de macollos y panículas; hábito de crecimiento y posición de la hoja bandera erecta; hoja bandera larga y ancha; panículas largas, floración intermedia (94,27 DDS); número de granos por plantas intermedio (821 semillas pl^-1); desgrane bajo en las variedades, pero alto en el AR; semillas pesadas (26 g 1000 semillas^-1); granos largos delgados con alta relación largo/ancho^-1 (Cuadro 3 y 4; Figura 9).

Grupo VII (varietales parecidos a Fedearroz 50):

conformado con 7 genotipos, 4 provenientes de lotes de semillas de D-Sativa y 2 de Fedearroz 50, además de la variedad Fedearroz 50. Genotipos con plantas pequeñas, intermedia producción de macollos y panículas (12,85 y 11,38, respectivamente); hábito de crecimiento y posición de la hoja bandera erecto; hoja bandera larga y ancha (35,85 cm y 15,70 mm, respectivamente); panículas largas (26,49 cm); floración intermedia (100,01 DDS); media producción de granos (1011,27 semillas pl^-1); producción de granos pesadas; bajo % de desgrane; panículas compactas; glumas de color pajizo con pericarpio beige en las variedades y rojo en la maleza; con presencia o ausencia de aristas; semillas pesadas (25,87 g1000 semillas^-1); granos largos con ancho y espesor intermedio y relación largo/ancho^-1 media (Cuadro 3 y 4; Figura 10).

Estos resultados indican que el 68% de los AR pudieron diferenciarse de las variedades evaluadas en este estudio y que sólo el 32% de los AR cayeron en las categorías de varietales y que por ende son muy difíciles de erradicarlos de los campos de semilla por su gran parecido al arroz cultivado.

Sin embargo al analizar detenidamente el dendograma se observa que a pesar de que los grupos I (20 individuos) y III (9 individuos) no quedaron con las variedades, ellos muestran una altura de planta y floración similar al arroz cultivado por lo que pueden pasar desapercibidos durante la depuración de los campos. Posiblemente los AR encontrados en estos grupos pudieran estar evolucionando hacia formas menos distinguibles de las variedades para evitar su erradicación del campo y por ende mantenerse en el banco de semilla de malezas del suelo.

Conclusiones

- El análisis de todas las características conjuntas o en conglomerados, mostró que se formaron 7 grupos, de los cuales los primeros cuatro correspondieron a 32 AR y 1 silvestre (O. rufipogon), que se pudieron diferenciar de las variedades con el uso de 26 variedades evaluadas en este estudio, mientras que los últimos tres grupos de 15 AR que se pueden considerar varietales debido a su alta afinidad con las variaciones de arroz.

-Tan solo 4 genotipos (8,33%) de los evaluados en este estudio reunieron las características contrastantes del AR que pudieran permitir su erradicación en lotes de semilla de arroz, debido a la fácil diferenciación de las variedades.

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