RESUMEN

Se estudiaron 14 descriptores morfológicos y 2 isoenzimáticos para caracterizar la diversidad genética de los posibles 22 progenitores que formarán la población básica indehiscente de ajonjolí, Sesamum indicum L., PUCV4. Las frecuencias relativas de cada categoría para cada descriptor fueron procesadas para estimar dos índices de diversidad, el índice de Shannon y Weaver (H) y el índice de uniformidad (E). Con los datos electroforéticos se calculó el índice de diversidad de Nei (h). El índice H fue empleado para obtener un índice de información (I), el cual permitió cuantificar la variabilidad total y la contenida dentro y entre las agrupaciones generadas por un árbol Neighbor Joining y el Análisis de Coordenadas Principales. Se encontró una alta diversidad genética, expresada como descriptores polimórficos con estimados promedios de E y H igual a 0,71 y 0,54, respectivamente. Los caracteres más polimórficos fueron pubescencia de la cápsula, pubescencia del tallo, color de la semilla, color del labio inferior de la flor y número de cápsulas por nudo. El análisis multivariado generó dos grupos; G1 y G2, con cinco y nueve progenitores, respectivamente; el resto de la colección se presentó dispersa, representada por los genotipos más divergentes, grupo designado como GR, La diversidad total se descompuso en dos fuentes principales: la primera contenida dentro de GR y la segunda entre G 1, G2 y GR. Se concluye que los progenitores presentan suficiente variabilidad para formar la población básica PUCV4 con una amplia diversidad genética, necesaria para garantizar ganancias con la selección durante el proceso de mejoramiento genético.

Palabras Clave: Sesamum indicum; indehiscencia; diversidad; morfología; izoenzimas.

SUMMARY

In order to characterize the genetic diversity of the possible 22 progenitors of the sesame indehiscent basic population PUCV4, 14 morphological and 2 isoenzymatic descriptors were studied. The relative frequencies of each category for each descriptor were processed to estimate two diversity indexes, the Shannon and Weaver index (H) and the Eveness index (E). Also, the Nei genetic diversity index was calculated from electrophoretic data. An information index (I) was generated from H to quantify the total variability, inside and among the groups generated by a Neighbor-Joining tree and a principal coordinate analysis. A high genetic diversity was found, expressed as polymorphic descriptors with H and E estimates of 0.71 and 0.54, respectively. The most polymorphic characters were capsule hairiness, stem hairiness, seed color, lower lip color of flower and capsule number per node. Multivariate analysis generated two groups of genotypes (G1 and G2), with five and nine elements, respectively; the rest of the collection was diffused, formed by the most divergent genotypes, designated as GR. Total diversity was partitioned in two main sources: the first one contained within GR, and the second one among G1, G2 and GR. As a conclusion, it may be state that the progenitora show enough variability to generate the basic population PUCV4 with the broad genetic diversity needed to guarantee genetic gains with selection during breeding.

Key Words: Sesamum indicum; indehiscence; morphological diversity; morphology; isozymes.

RECIBIDO: Junio 25, 2002

INTRODUCCIÓN

El ajonjolí, Sesamum indicum L., es una especie oleaginosa anual con abundante formación de flores, cada una de las cuales origina un fruto con 40 a 50 semillas, aproximadamente. La domesticación del cultivo es parcial, pues sus frutos abren una vez secos, a través de suturas que facilitan la dispersión de la semilla, como en las especies silvestres. Debido a que la cosecha se hace cuando el fruto está seco, las pérdidas de granos en campo pueden originar una reducción de los rendimientos de un 15 a 25% (Montilla y Mazzani, 1966), bajo el sistema de cosecha mecanizado de dos etapas (corte y trilla) que predomina en Venezuela.

Como alternativa para minimizar la pérdida de granos durante la cosecha, se propone el empleo de cultivares indehiscentes de ajonjolí. Mazzani (1983) señala otras ventajas de la utilización de los mismos a gran escala: a) menor urgencia de la cosecha, b) menor duración de las operaciones en campo, y c) menor costo, ya que la cosecha se haría en una sola operación. A pesar de ello, la aceptación de materiales indehiscentes a nivel comercial no ha sido posible, debido a que presentan rendimientos por debajo de los dehiscentes como producto de una reducida fertilidad.

Sin embargo, este tipo de variedades presentan baja fertilidad, tal como lo señala Berlingeri (2000) con respecto a la variedad Morada indehiscente, lo cual es ocasionado principalmente por una carga reducida de polen sobre el estigma, un menor número de tubos polínicos en el estilo e incapacidad del tejido femenino de promover el crecimiento de los tubos polínicos, en comparación con Morada dehiscente. El cultivar indehiscente tiene además una baja eficiencia reproductiva, expresada como un menor número de semillas por fruto y un menor número de flores por axila.

Este conjunto de efectos negativos en los indehiscentes se debe a la acción de un gen (id) pleiótropo recesivo (Langham, 1946), que además produce deformación en las hojas y flores, desarrollo de neoplasias en ambos órganos, deformación de las cápsulas y engrosamiento del mesocarpio (Ashri y Ladijiski, 1964; Day, 2000; Mazzani y Horovitz, 1952

El efecto del gen id está afectado por genes modificadores (Mazzani y Horovitz, 1952). Estos autores consiguieron materiales experimentales con grandes niveles de indehiscencia y buena fertilidad, lo cual les permitió plantear la hipótesis de que los modificadores son de efecto simple, afectando cada uno de ellos una característica en particular, pero no todas en conjunto y, en consecuencia, podrían acumularse los efectos relacionados con la fertilidad, sin perder la indehiscencia de los frutos. Los modificadores pueden alterar sustancialmente la fertilidad de los indehiscentes, al punto que se ha observado una ausencia de correlación entre la apertura de la cápsula y el rendimiento de semillas en algunos casos (Delgado et al., 1994).

De lo anterior se deriva que puede obtenerse una selección hacia plantas fértiles en poblaciones idid sin modificar apreciablemente la condición indehiscente de la población (Mazzani y Horovitz, 1952). En tal sentido, en el Instituto de Genética "Salomón Horovitz" de la Facultad de Agronomía de la Universidad Central de Venezuela (IG-FAGRO), se inició la formación de una población básica indehiscente (PUCV4), que será utilizada en un programa de selección recurrente para incrementar los rendimientos. Para ello se realizan los cruces de 21 progenitores dehiscentes con el padre indehiscente UCR 82-13. De estos cruzamientos se están derivando, mediante autofecundación, un número equivalente de familias indehiscentes endocriadas. Finalmente, estas familias se recombinarán al azar para obtener 'el ciclo cero (C0) del programa, el cual técnicamente se considerará como la PUCV4.

La selección recurrente es una de las principales líneas de investigación de mejoramiento poblacional en el ajonjolí llevada a cabo por el IG-FAGRO. Partiendo de una población dehiscente suficientemente variable, conformada por el cruzamiento de 25 materiales comerciales y exóticos, se consigue una respuesta favorable en dos ciclos de selección para rendimiento en grano, con un incremento del rendimiento de 14,5% por ciclo (Laurentín et al., 2000)

Algunos elementos adicionales reafirman la efectividad del programa, por ejemplo: la mejor línea del C₁ rindió por encima de la mejor línea del C₀. A pesar de que la media del C₀ fue significativamente inferior a los testigos, la media del C₂ fue igual. De acuerdo a la distribución normal, es probable que existan líneas con rendimientos superiores a la media del C₂ y, por lo tanto, a la media de los testigos. También se ha demostrado que dos poblaciones básicas indehiscentes, una de origen africano y otra de origen chino, presentan suficiente variabilidad como para iniciar un programa de selección recurrente, ambas con estimados importantes de la varianza genética aditiva (Acevedo y Monteverde, 1998; Silva y Monteverde, 1998).

Se espera que la población PUCV4 posea suficiente variabilidad genética para garantizar un avance significativo en la selección en los ciclos derivados. En este sentido, es prioritario conocer la diversidad presente en los progenitores que formarán a la PUCV4, por lo que esta investigación tuvo como objetivo caracterizar la diversidad genética observada en dichos progenitores, desde el punto de vista morfológico e isoenzimático.

 MATERIALES Y MÉTODOS

Material vegetal

Las denominaciones de los 22 progenitores se presentan en el Cuadro 1. Los cultivares Fonucla y UCLA-1 y las líneas experimentales 90-1, H-65, 249-42, H-83, Exp-295 y 37-1 fueron cedidos por Hernán Laurentín de la Universidad Centro Occidental Lisandro Alvarado (UCLA), Barquisimeto, Venezuela y las accesiones Felicidad, China amarillo, Turén, Venezuela 51, 98-280 y UCR 82-13 por Elena Mazzani del Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas (INIA), Maracay, Venezuela. El resto de los materiales se obtuvieron de la Colección de Trabajo del IG-FAGRO.

Caracterización morfológica

La evaluación morfológica se realizó en Maracay, en el campo experimental del IG-FAGRO, durante el período enero-abril de 2001. Cada material se sembró en una hilera de 5 m de longitud, espaciadas a razón de 80 cm con 15 plantas por metro lineal, aproximadamente. A 10 plantas tomadas al azar dentro de cada hilera, se les registraron 14 descriptores cualitativos (Cuadro 2), sugeridos en la lista de descriptores de ajonjolí del IBPGR (1981). Estos descriptores son altamente heredables, de fácil registro visual y con expresión constante en todos los ambientes. Otros caracteres evaluados resultaron invariables en la colección, como el hábito de ramificación y el color de la foveola, por lo que fueron descartados al momento de realizar los análisis estadísticos.

Caracterización isoenzimática

En un principio, la colección se caracterizó para los sistemas isoenzimáticos isocitrato deshidrogenasa (IDH, E.C. 1.1.1.42), siquimato deshidrogenasa (SKI), E.C. 1.1.1.25), malato deshidrogenasa (MDH,

E.C. 1.1.1.37), fosfogluconato deshidrogenasa (PGD, E.C. 1.1.1.44), glutamato deshidrogenasa (GDH, E.C. 1.4.1.2), fosfoglucoisomerasa (PGI, E.C. 5.3.1.9), fosfoglucomutasa (PGM, E.C. 5.4.2.2) y glutamato oxaloamino transaminasa (GOT, E.C. 2.6.1.1). No obstante, sólo IDH resultó polimórfico, por lo que los otros sistemas fueron descartados.

Para cada material se colectaron 200 g de tejido foliar en expansión, provenientes de 4 plantas (50 g cada una) con dos a tres semanas de emergidas. Se hizo un compuesto equitativo de las cuatro plantas y se maceró con un tampón de extracción constituido por polivinil pirrolidona-40 3%, 2-mercaptoetanol 0,9%, tris 151 mM, albúmina de suero bovina 3%, ácido cítrico 19 mM y polietilénglicol 3% (Díaz, 1997).

Los extractos se colocaron en papeles de filtro Whatman N° 1 y fueron cargados en un gel de almidón al 12%. E1 sistema gel-electrodo y las condiciones de corrida utilizados fueron Morfolina-Citrato pH 6,1 a 30mA por 6 h. La fórmula de tinción fue la siguiente: 50 ml solución tris-HCl (605,5 mg tris; enrasar con agua a 50 ml; ajustar pH a 8,0 con HC1), 2 ml MgCl₂ 10%, 30 mg ácido isocítrico, 3 mg PMS, 10 mg MTT, 8 mg NADP Se registró la presencia o ausencia de los alelos a y b del locus Idhl para cada material, según Díaz y Layrisse (2002) codificados como los descriptores Idha e Idhb, respectivamente (Cuadro 2).

Análisis estadístico

Se obtuvieron por conteo directo las frecuencias de aparición de cada categoría para cada descriptor. Con ellas se estimaron dos índices de diversidad estrechamente relacionados. El índice de Shannon y Weiner (H) se obtuvo a través de la ecuación H = - ∑ p_i ln p_i, en la que p_i. es la frecuencia relativa de la i-ésima categoría (Sneath y Sokal, 1973) y el índice de uniformidad E, calculado como E = H / log S, donde S es el número de categorías presentes.

El índice H cuantificó el grado de entropía o grado promedio de incertidumbre en predecir a cuál categoría iba a pertenecer un individuo escogido al azar de la colección. El índice E midió la proporción de la diversidad observada con relación a la máxima diversidad esperada. Con el valor de H se obtuvo además una medida de información (I) del sistema, estimada como I = n H, donde n es el número de progenitores. La sumatoria de I para los distintos descriptores es una medida de entropía total del grupo. Por otra parte, se estimó el índice "h" de diversidad de Nei (1978), el cual se calculó como h =1-∑ p², donde p es la frecuencia del i-ésimo alelo isoenzimático del locus IdhL

Para establecer las semejanzas entre los 22 progenitores se construyó un árbol no enraizado mediante el método "Neihgbor-Joining" (NJ), a partir de la matriz de distancias calculadas de la raíz cuadrada del complemento del coeficiente de similitud general de Gower (1 - S_G)^1/2, donde S_G = número de descriptores coincidentes / total de descriptores (Sneath y Sokal, 1973). Los cálculos de este procedimiento se consiguieron con el programa NTSYS (1990) y visualizados con el programa TREEVIEW (Page, 1996). Como complemento, se realizó un análisis de coordenadas principales (ACOP) partiendo de la matriz de similitud entre progenitores utilizándose el índice S_G. Los cálculos del ACOP se obtuvieron a través del programa NTSYS (1990).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Semejanzas genéticas

En la Figura 1 se muestra el árbol no enraizado NJ. La topología del árbol muestra ramas externas más largas que las internas, a excepción del ramal gl que permitió diferenciar del núcleo del árbol a un grupo designado como G 1. Dentro de este grupo se encontraron los progenitores 4, 10,18, 20 y 21, de los cuales dos (18 y 20) no pudieron ser diferenciados mediante los 16 descriptores.

Todos los elementos de este grupo procedieron de la colección de trabajo de la UCLA. La topología del árbol no permitió definir otros grupos y sugiere que los progenitores en general presentan una alta divergencia entre sí. Debido a que el método NJ permite expresar las distancias entre los materiales en función de la longitud de las ramas que los separan, puede inferirse que UCR 82-13 (5), H-65 (13), Maporal (16) y Fonucla (17) fueron los más divergentes de la colección.

Con el ACOP se distinguió un grupo adicional que no se observó con el árbol NJ, designado como G2 (Figura 2), constituido por los materiales 1, 2, 3, 6, 9, 14, 15, 19 y 22. El resto de los progenitores (5, 7, 8, 11, 12, 13, 16 y 17) se presentaron dispersos y separados de G 1 y G2, sobretodo en las Coordenadas Principales (CP) 2 y 3.

Este conjunto de progenitores con amplia divergencia genética se designó como GR. Los valores propios asociados con las tres primeras CP se presentan en el Cuadro 3, con un acumulado del 55% de la variabilidad original. El otro 45% fue distribuido en las siguientes 14 CP, con incrementos despreciables a partir de la octava CP. Similar a lo generado por el árbol NJ, los materiales 5, 16 y 17 fueron los más divergentes, cada uno separado ampliamente del otro en las 3 primeros CP.

Diversidad genética

Las variantes conseguidas en los 16 descriptores se presentan en el Cuadro 1. Para cuantificar la diversidad en cada uno ellos se empleó el índice E, el cual refleja la similitud entre las frecuencias relativas de sus categorías. La variabilidad máxima posible se hubiese conseguido con un valor de E igual a 1, en cuyo caso todas las categorías hubiesen sido igualmente frecuentes.

Los descriptores que más se ajustaron a esta condición fueron los de mayor diversidad en los materiales evaluados (Cuadro 4). Entre ellos se señalan a ptall, clin y cnod, cuya categoría menos frecuente no fue menor que 0,30. Los descriptores menos diversos fueron ccap, tsem y fcap, con una categoría prácticamente ubicua y las restantes presentes en no más de tres genotipo. Fonucla fue el único material que presentó un ccap verde, Maporal y UCR 8213 una tsem rugosa, H-65 y UCR 82-13 una fcap alargada y Maporal una fcap cuadrada.