Author: AGUSTÍN DOMÍNGUEZ TAMAYO

Parámetros genéticos y características de producción en genotipos de maíz que segregan poliembrionía

AGUSTÍN DOMÍNGUEZ TAMAYO (2013)

"La poliembrionía en maíz (PEm) es una característica natural, originada por mutación, que se manifiesta de diversas maneras, la más notable es la presencia de dos, tres y hasta siete tallos, de desarrollo completo, con capacidad de producir mazorcas. En términos prácticos la condición de dos plantas, originadas a partir de una semilla, sean idénticas o no, es la versión más aprovechable en términos agronómicos. Es relevante el hecho de que asociado a la PEm, los maíces de esta condición presentan en sus granos contenidos superiores en grasa cruda, lisina y triptófano, lo que les confiere mayor calidad nutrimental. El potencial de vi producción y calidad de maíces que incluyen la poliembrionía hace deseable la incorporación del carácter PEm a variedades especializadas de maíz. El presente trabajo de investigación explora la posible utilidad de la PEm en la generación de grupos genotípicos de valor en la eventual generación de variedades de maíz. La hipótesis y objetivos de trabajo proponen que con base en el control genético de la PEm es posible desarrollar nuevos genotipos valiosos para la producción de maíz, especialmente para la agricultura de bajos insumos. Las metodologías aplicadas en este trabajo incluyen la derivación de grupos generacionales F1, F2, CG3 y CG4 a partir de cruzas iniciales entre materiales PEm x exóticos de tipo comercial. Los grupos F1 y F2 se generaron de la manera mendeliana habitual. Los CG3 se generaron a partir de cruzamientos solamente entre plantas F2 que exhibían PEm, es decir, se practicó apareamiento preferencial positivo (AP+). Los genotipos del grupo CG4 se originaron por apareamiento planta a planta dentro de cada genotipo segregante bajo estudio, y por cruzamiento dialélico del tipo método 4 de Griffing entre cinco progenitores del grupo CG3. Los materiales de los cuatro grupos generacionales fueron evaluados en condición de plántula a los 17 días posteriores a la siembra, bajo condiciones de invernadero. En general, las variables de respuesta fueron: por ciento de: emergencia (PG), poliembrionía (PE), anormalidades (PA); número de: coleoptilos (NC), mesocotilos (NM), raíces laterales seminales (NRL), raíces de corona (NRC), hojas (NH); longitud de: radícula (LR), de parte aérea-tallo (LT). Además, las variables de peso, fresco de raíz (PFR), de parte aérea-tallo (PFT), seco de raíz (PSR), y seco departe aérea- tallo (PST). vii La evaluación de la capacidad de producción en planta adulta se evaluó sólo en materiales de los grupos generacionales CG3 y CG4. Los primeros (6 genotipos segregantes y 3 testigos) en dos ensayos de rendimiento durante el ciclo agrícola P/V 2012, localidades Buenavista y Derramadero, Saltillo, Coahuila, y los segundos (5 genotipos progenitores segregantes, 10 híbridos varietales, y 3 testigos) en dos ensayos de rendimiento durante el ciclo P/V 2013, en Buenavista, dos ambientes de prueba establecidos por fechas diferidas por cinco semanas (principios de mayo y finales de junio). Los cuatro ensayos fueron fertilizados con sulfato de amonio y mono fosfato amónico aplicando la fórmula 120 (N): 80(P): 00(K), a la siembra se aplicó la mitad del N y el total de P y el resto de N, al cierre de surco. Las variables de respuesta en los ensayos fueron: días a floración masculina (FM) y femenina (FF), altura de planta (AP), altura de la mazorca superior (AM), índice de inserción de mazorca superior (IIM), mala cobertura de mazorca (MC), presencia de fusarium en planta (fP), fusarium en mazorca (fM), mazorcas podridas (MP), y rendimiento en mazorca al 14.5 % de humedad (REN). El diseño estadístico de bloques completos al azar, tres repeticiones, fue el aplicado en todas las evaluaciones de invernadero. Cada genotipo, de cada grupo generacional, en cada repetición, fue representado por 50 semillas tomadas al azar del depósito de semillas del genotipo. Las semillas se sembraron en charolas de germinación de 200 cavidades, con dimensiones 67 x 34 x 7 cm. El sustrato suelo fue una mezcla de tierra de bosque y peat moss en proporción 2:1 v/v; no se aplicó ningún fertilizante, y los riegos fueron diarios de manera manual, con regadera. Los ensayos de campo, en todas las localidades y en los dos ciclos agrícolas utilizaron un diseño estadístico simple, completamente al azar, dos repeticiones. En el P/V 2012, la parcela experimental fue de 3 surcos, 5 m de longitud cada viii uno, tomando los datos del surco central. En P/V 2013, la parcela fue de un surco de 5 m. Los análisis de datos incluyeron la aplicación de las técnicas del ANOVA, pruebas de rango múltiple (Tukey o LSD), regresión lineal, correlación simple, ajuste por covarianza número-de-plantas-rendimiento en los ensayos de rendimiento. La determinación de algunos parámetros genéticos se derivaron de los datos del dialélico, a los cuales se aplicó la metodología apropiada para el método 4 de Griffing (1956) y el método II de Gardner y Eberhart (1966). Los datos y los análisis correspondientes permitieron corroborar el control genético de la PEm, así como el grado de asociación de ésta con la manifestación de estructuras múltiples en radículas y coleoptilos, observados en dos o más plántulas provenientes de una semilla. La evaluación simultánea de los cuatro grupos generacionales, F1, F2, CG3 y CG4, estos dos últimos generados bajo el esquema de reproducción AP+, permitieron validar la propuesta de que por esta vía se puede obtener grupos segregantes con frecuencias crecientes de plantas poliembriónicas. Los datos de frecuencia PEm obtenidos a través de generaciones se sometieron a un análisis de regresión simple. Los resultados de este análisis indicaron una ganancia de 7.6 % de casos por generación. La regresión lineal simple fue suficiente para explicar el incremento generacional en PEm. Los ensayos de rendimiento observados el año 2012, en las dos localidades, mostraron diferencias estadísticas (p<0.05 o menor) entre localidades y entre genotipos. El REN en mazorca, promedio ajustado por covarianza (número de plantas – rendimiento), se ubicó entre 5 y 7 t ha-1 en Buenavista, y entre 4.5 a 6 t ha-1 en Derramadero. ix Los parámetros genéticos estimados a partir de los análisis método 4 de Griffing y método II de Gardener y Eberhart son, en lo general, coincidentes. Los efectos de ACG y ACE resultaron significativas (p<0.05 ó 0.01) en las variables evaluadas en invernadero NRC, LT y PST, y en FF y REN en planta adulta. En la mayoría de los casos los efectos no-aditivos fueron los más importantes, lo cual condujo a calcular montos de heterosis en NRC, PST, y REN para el ambiente II de Buenavista, 2013. La heterosis media calculada para FF y REN permitió identificar a ciertos genotipos de cruzas dialélicas como buenos indicadores para sustentar la hipótesis de que es posible utilizar la PEm como base pare generar nuevas variedades de maíz. Con el propósito de detectar alguna asociación entre variables de plántula y plantas en producción, se aplicó un análisis de correlación entre variables medidas en etapa de plántula (NRC, LT, PST) y algunas medidas en edad adulta (FF y REN). Con base en los resultados se puede establecer que PST es un buen indicador de incrementos en REN, y que la selección con base en peso de plántula puede ser de utilidad en la identificación de genotipos de alto rendimiento. La conclusión más relevante de esta investigación establece que la metodología descrita para desarrollar análisis genético mendeliano acerca de la segregación de PEm en genotipos de tercera y/o cuarta generación, derivados de cruzas entre las fuentes de maíz poliembriónicas desarrolladas por el IMMUAAAN y materiales exóticos, parece ser la adecuada para generar nuevos genotipos que expresen productivamente la poliembrionía recuperada."

"The maize polyembryony (PEm) is a natural trait originated by mutation, expressed in several ways, but mainly by the presence of two, three or up to seven complete stalks, fully developed to ears production per germinated seed. Practically, the two plants condition, being identical or different, is the most useful condition for agronomic utilization. It is also relevant that PEm maize has associated a higher than normal contents of crude fat, lysine and tryptophan amino acids, conferring nutrimental quality to the grain. The yield and quality potential of polyembryonic maize xi genotypes make desirable the incorporation of PEm to specialized maize varieties. This research work explores the PEm usefulness in generating valuable genotypic groups for designing maize varieties. The proposed hypothesis and objectives stated that based on the PEm genetic control it is possible to generate new valuable genotypes to increase maize yield, focusing toward low input cultivars. The methods applied to this research include the making of generational groups F1, F2, CG3 and CG4 from a basic former crossing among polyembryonic maize materials x exotic, commercial type sources. The groups F1 and F2 were generated by common Mendelian procedures. The CG3 group was generated by positive assortative mating (+AM) among F2 polyembryonic type plants only. The CG4 groups were generated by two ways, one was done by mating plant to plant of the same PEm kind within the same segregating group, and the other was done by crossing plants between five genotypes belonging to the CG3 group, following the Griffing diallel method 4. The four generational groups mentioned above were evaluated on seedlings under greenhouse conditions at 17 days old. The response variables were percent of emergence (PG), polyembryony (PE), abnormalities (PA), number of coleoptiles (NC), radicles (NR), mesocotyl (NM), lateral seminal roots (NRL), crown roots (NRC), leaves (NH), longitude of radicle (LR), stalk (LT), besides of the weight of fresh roots (PFR), fresh stalk (PFT), dry roots (PSR) and dry stalk (PST). The yield performance of adult plants was evaluated only in the CG3 and CG4 generational groups. The former (6 PEm segregating genotypes and 3 checks) were evaluated in two locations (Buenavista and Derramadero, Saltillo, Coahuila) during the Spring / Summer, (S/S) 2012 season. The latest (5 PEm xii segregating genotypes, 10 diallel crosses and 3 checks) were evaluated in two different environments in the same location Buenavista during S/S 2013 season, the environments were referred to sewing 5 weeks apart, initiating of middle dates of May. The four essays were equally fertilized with the formula 120 N: 80 P. 00 K, using commercial presentation of Ammonium sulfate (20.5 % N) and Mono Ammonic Phosphate (11 % N: 52 % P). Half of the N and whole P were applied during sewing, and the rest of N at furrowing time. The response variable for assays were days to flowering, male (FM) and female (FF), heights of plants (AP), of superior ear (AM), fusarium on plant (fP), and ears (fM), ear height / plant height index (IIM), rotten ears (MP), bad covering of ears (MC) and ears yield (REN) at 14.5 % of humidity. A complete randomized block design, three replicates, was applied to all seedling experiments carried under greenhouse conditions. The sample size for each plot was made of 50 randomly taken seeds from each genotype, each generational group, and each repetition. Seeds were sewed in polypropylene made germinating cages of 67 x 34 x 7 cm size, 200 cavities. The sewing substrate was made of forest soil + peat moss in a 2:1 v/v proportion. No fertilizer was used, and watering the seedlings was manually on daily bases. A completely randomized design, two replicates, was applied to all field assays in all locations. For the 2012 assays, the experimental plot size was three rows of 5 m long, taken data of the central row. For the 2013 assays, the experimental plot was one row, 5 m long. The data analysis was performed using ANOVA techniques, multi-range mean tests (Tukey or LSD), simple regression analysis, correlation analysis, covariate adjustment (plantnumber-yield). About the genetic parameters estimates, they were derived from the diallel design analysis appropriated to the Griffing (1956) method 4 and Gardner and Eberhart method II (1966). xiii Results allowed the characterization and comparison of the different genotypes through the response variables in the seedling studies and the plant yield performance. The data analysis led to validate the type of genetic control of the PEm trait, and also the degree of association between this character to the multiple manifestation of radicles and coleoptiles from a single seed seedlings emerged. The simultaneous evaluation of the four generational groups, F1, F2, CG3 and CG4, the last two generated by (AM+), allowed the validation of the proposal that in doing so one could generate segregating groups increasing the PEm frequency generation by generation. A regression analysis was applied to the average data obtained from each generation of the four groups on PEm frequency, and the results showed that PEm gains 7.6 % frequency units per generation. Lineal regression analysis was appropriate to explain the changes in PEm frequency on these four generation study. The 2012 yield assays, both locations, showed statistical differences (p<0.05 or less) between locations and among genotypes. The average REN on ear yield basis, adjusted by covariate (plot plant numbers – yield) was from 5 to 7 t ha-1 in Buenavista, and from 4.5 to 6 t ha-1 in Derramadero. The genetic parameters estimates from the two methods of analysis (Griffing and Gardner and Eberhart) are mostly the same. GCA and SCA were statistically significant (p<0.05 or 0.01) for seedling traits NRC, LT and PST and for mature plants variables FF and REN. The non-additive effects were more important than additive effects which point out the fact of heterosis in NRC, PST, and REN in the Buenavista, 2013 environment II. The average parent heterosis for FF and REN allows the identification of outstanding genotypes from the diallel crosses as indicators of the potential of PEm as a base to design new maize specialized varieties. xiv In order to identify seedlings and mature plant traits association, a correlation analysis was undertaken using some seedling stage variables (NRC, LT, PST) and FF and REN on mature plants. Significant correlation among seedlings traits were detected, but also between PST and REN (p<0.01) which could led to state that selecting on PST at juvenile stages could be useful to identify productive genotypes. The main conclusion derived from this research is that the methodology applied to carry out Mendelian genetic analysis for PEm segregation in genotypes from the third and fourth generations, derived from crosses among the polyembryonic sources developed by IMM-UAAAN with exotic materials, seems to be successful in the design of new genotypes that express a more productive recovered polyembryony."

Master thesis

Zea mays L. Segregación de la poliembrionía Variables de plántula CIENCIAS AGROPECUARIAS Y BIOTECNOLOGÍA