Germoplasma de frijol

Se estudiaron dos grupos de materiales mejorados, 16 de tipo Pinto de la raza Durango, la mayoría sensibles al fotoperiodo, y 15 de tipo Flor de Mayo de la raza Jalisco con reacción neutral al fotoperiodo. En el grupo de materiales de tipo Pinto se incluyeron las variedades mejoradas San Rafael y Rarámuri, neutrales al fotoperiodo, Pinto Saltillo, San Luis y Salinas, así como 11 líneas mejoradas (> F₁₀) sensibles al fotoperiodo. En el tipo Flor de Mayo se incluyó la variedad Flor de Mayo Dolores, tres selecciones derivadas de plantas individuales de la variedad Flor de Mayo Eugenia, 11 líneas mejoradas (> F₁₀) y la variedad Dalia de tipo Flor de Junio de la raza Jalisco, que se incluyó como testigo de reacción sensible al fotoperiodo (Cuadro 1).

Condiciones de cultivo

El experimento se realizó del 27 de febrero al 15 de junio de 2018 en el Campo Experimental Bajío (CEBAJ) del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (INIFAP); el sitio de siembra se ubicó en Celaya, Guanajuato, México (20º 34’ N, 100º 50’ O y 1765 msnm). El suelo predominante es de tipo Vertisol, con una profundidad mayor a 1.0 m y un contenido de materia orgánica de 1.5 a 2.0 %. La precipitación y las temperaturas diarias durante el ciclo de cultivo se obtuvieron de la estación meteorológica del CEBAJ, ubicada a 200 m del sitio experimental.

Los materiales se sembraron en franjas apareadas de dos surcos de 30 m de longitud, separados a 76 cm. El cultivo del ciclo anterior fue sorgo (Sorghum bicolor L. Moench) para obtención de grano. El suelo se preparó con un desvare, barbecho, rastra y surcado. La siembra se realizó el día 27 de febrero del 2018 en suelo húmedo, 10 días después de un riego de presiembra se aplicó 1.5 L ha^-1 del herbicida Linuron 50 % en forma pre-emergente en banda sobre la hilera de la siembra. El primer cultivo mecánico se realizó 13 días después de la siembra (DDS) y al mismo tiempo se fertilizó con la dosis 39-46-00-24 de (NH4)₂SO₄-P₂O₅-K₂O-S preparada con Sulfamin (21-00-00-24S) y fosfato diamónico (DAP; 18-46-00). Se aplicaron fertilizantes foliares con elementos mayores y menores, de acuerdo con la etapa de desarrollo del cultivo a la primera hoja trifoliolada (16 DDS), formación de vainas (63 DDS) y llenado de grano (77 DDS) (^{Schoonhoven y Pastor-Corrales, 1987}).

Se aplicó un primer riego de auxilio a los 17 DDS, para asegurar la emergencia y el aprovechamiento del fertilizante; posteriormente, se aplicaron dos riegos de auxilio en la etapa reproductiva a los 55 y 80 DDS. La maleza se controló mediante dos cultivos mecánicos a los 13 y 35 DDS, los cuales se complementaron con dos deshierbes manuales durante la etapa reproductiva. Se aplicaron 750 mL ha^-1 de Imidacloprid 30.2 % y 600 mL ha^-1 de Metamidofos 48.3 % para el control de chicharrita (Empoasca kraemeri), mosca blanca (Trialeurodes vaporariorum), araña roja (Tetranychus urticae) y trips (Caliothrips phaseoli).

Variables medidas

En la etapa de madurez fisiológica se marcaron al azar seis parcelas de 1 m de longitud dentro de los dos surcos de cada material, equivalentes a 0.76 m². Las plantas de cada parcela (12 ± 2) se cosecharon y se secaron por tres semanas a 45 ± 3 ^oC para llevarlas a peso constante. Se contabilizó el número de vainas por m², granos por vaina y el número total de granos por m². El peso de la vaina con el grano (PV; g m^-2) y el peso de cien semillas (g) se obtuvieron mediante una muestra representativa tomada al azar en cada parcela. El rendimiento de grano (R) y la biomasa total (B) se estimaron dividiendo su peso (g) entre el área de la parcela (0.76 m²), para luego extrapolarlos a t ha^-1 multiplicándolos por 0.01. El índice de cosecha (IC) se calculó dividiendo el rendimiento del grano (g m^-2) entre la biomasa (g m^-2) y multiplicándolos por 100 [IC (%) = (R/B) × 100].

Análisis estadístico

Los grupos de frijol tipo Pinto y tipo Flor de Mayo se analizaron por separado. Se realizaron análisis de varianza para todas las características determinadas bajo un diseño completamente al azar con seis repeticiones. Se obtuvo la comparación de medias con la prueba de Tukey (P ≤ 0.05), en ambos casos los cálculos se efectuaron con el paquete estadístico SAS v9.1 (^{SAS Institute, 2004}). Dentro de cada grupo se obtuvieron correlaciones simples entre características evaluadas. Los cálculos y las gráficas se generaron con el paquete Excel de Microsoft Office.

Condiciones de temperatura

La temperatura media durante el ciclo de cultivo, entre el 27 de febrero y el 15 de junio, fue de 21.0 ºC, con una mínima de 5.8 ºC y una máxima de 36.0 ºC. La fase reproductiva, comprendida desde la etapa R6 a la R9, se registró entre el 10 de abril y 15 de junio. En esta fase la temperatura media fue de 21.9 ºC, con una mínima de 8.0 ºC y una máxima de 36.0 ºC. En gran parte de la etapa reproductiva se presentaron temperaturas diurnas superiores a 30 ºC con una duración aproximada de 7 h entre las 13:00 y las 19:00 horas (Figura 1A) y temperaturas nocturnas superiores a 20 ºC con una duración de aproximadamente 5 h entre las 21:00 y las 2:00 horas (Figura 1C). La temperatura diurna promedio fue de 24.7 ºC, con mínimas de 8.0 ºC y máximas de 36.0 ºC (Figura 1B), mientras que la temperatura nocturna promedio fue de 18.1 ºC, con mínimas de 8.8 ºC y máximas de 29.0 ºC (Figura 1D). La presencia de lluvias esporádicas al inicio, mitad (entre los 66 y 77 DDS) y final de la etapa reproductiva disminuyó las temperaturas superiores a 30 ºC durante el día (Figura 1B) y a 20 ºC durante la noche (Figura 1D).

Figura 1 Precipitación acumulada y temperaturas diurnas y nocturnas diarias durante la etapa reproductiva de materiales de frijol cultivados en riego. Las flechas en la parte superior indican el inicio de las etapas R6: floración, R7: formación de vainas, R8: llenado de vainas y R9: maduración. Pt: materiales de tipo Pinto y FM: materiales de tipo Flor de Mayo. Los mapas de calor indican en rojo las temperaturas > 30 °C durante el día y > 20 °C durante la noche. Las líneas con los marcadores en forma de círculo, triángulo y cuadrado corresponden a las temperaturas máxima, media y mínima, respectivamente, durante el día y la noche; las columnas corresponden a la precipitación acumulada. Las líneas punteadas horizontales naranja indican la temperatura diurna y nocturna de 30 y 20 °C, respectivamente. 

La floración de los materiales de tipo Pinto inició 15 días antes en comparación con los materiales de tipo Flor de Mayo; por lo tanto, su periodo reproductivo fue de 67 días, mientras en Flor de Mayo fue de 53 días (Figura 1 A). La precocidad de los materiales de tipo Pinto y la presencia de lluvias esporádicas les permitió escapar de las temperaturas diurnas y nocturnas altas al inicio de la floración (R6) y durante el llenado de vainas (R٨), no así durante la maduración del grano (R9), donde los de tipo Flor de Mayo tuvieron cuatro días con temperaturas óptimas por debajo de 30 ºC durante el día y 20 ºC durante la noche (Figuras 1A y 1C).

Efecto de la temperatura alta en frijol Pinto

Entre materiales de frijol tipo Pinto, la variación para el número de granos por m² fue alta (Figura 2A) en comparación con el número de vainas por m² (Figura 2B). Las diferencias en el número de granos entre materiales con número similar de vainas se debieron principalmente a un número diferente de granos por vaina y un número alto de vainas con pocos granos. Con respecto al número de granos por m², el menor número fue para la línea (PS/RS110)-6-5-M y el mayor para la variedad Salinas (Figura 1A). El número más bajo de vainas por m² lo tuvo la línea (PS/RS110)-5-3-M, mientras que el mayor número fue para las variedades Salinas y Rarámuri (Figura 2B); entre las líneas, (PS/RS110)-3-3-M y [(DON 38/AzNam)//PS]-30-2-1-M tuvieron el mayor número de vainas por m² (Figura 1B).

Figura 2 Variables evaluadas en materiales de frijol Pinto y Flor de Mayo cultivados en riego. A) Las líneas indican el número total de granos por m² de cada material. B) La longitud total de las barras indica el número de vainas por m² y las secciones de cada barra el número de granos por vaina (entre uno y siete granos por vaina). 

La variedad Salinas mostró número alto de vainas, de granos y de vainas con seis granos; por el contrario, la línea (PS/RS110)-6-5-M mostró número alto de vainas con un solo grano, una proporción baja de vainas con seis granos y, en consecuencia, registró un número reducido de granos por m² (Figura 2B). Los resultados indicaron que, para obtener un número alto de granos por unidad de superficie son necesarios un número alto de vainas y de granos por vaina. La presencia de un número alto de vainas con uno y dos granos se relacionó con la presencia de temperaturas altas, que ocasionaron fallas en la polinización de los óvulos. Numerosos autores han señalado el efecto detrimental de la temperatura alta sobre la viabilidad del polen del frijol (^{Gross y Kigel, 1994}; ^{Porch y Jahn, 2001}; ^{Suzuki et al., 2001}). Además, Barrera-Lemus (Com. pers.)¹ demostró que los cultivares tolerantes a temperaturas altas superan a los sensibles en la producción de semillas por vaina y por m², debido a que bajo estrés por calor presentan capacidad alta para removilizar de forma eficiente los carbohidratos hacia las estructuras reproductivas.

Numéricamente, la cantidad más alta de biomasa se observó en la variedad San Luis, cuyo valor fue estadísticamente similar al de otras 12 líneas, mientras que la más baja se observó en la línea (PS/RS110)-4-2-M, seguida de las líneas (PS/RS110)-3-3-M y [(DON 38/AzNam)//PS]-23-2-1-M, sin diferencias estadísticas con otras 10 accesiones (Cuadro 1). En rendimiento se observaron diferencias altamente significativas (P ≤ 0.01) entre variedades, las variedades Salinas y San Luis mostraron los valores más altos, similares a los de Salinas 53 y Rarámuri. Por otro lado, la línea (PS/RS110)-3-3-M mostró el rendimiento y producción de biomasa más bajo. Se ha observado que Rarámuri y San Rafael son de reacción neutral al fotoperiodo, mientras que San Luis y Pinto Saltillo son de día corto (sensibles); sin embargo, en este estudio todas ellas mostraron características similares en las variables cuantificadas, lo que sugiere que no hubo efecto negativo del fotoperiodo, respuesta probablemente debida a la precocidad de los materiales.

El IC se relaciona con la capacidad de la planta para removilizar fotoasimilados hacia el grano, lo cual es importante para el rendimiento bajo condiciones de estrés por calor (^{Suzuki et al., 2001}). La mitad de las accesiones mostró valores bajos en IC, menores al 20 %; el nivel numérico más alto lo presentó la variedad Salinas y el IC más bajo lo obtuvieron las líneas (PS/RS110)-6-5-M, (PS/RS110)-5-3-M y (PS/RS110)-3-3-M, con producción diferente de biomasa; es decir, sin considerar su producción de biomasa, fueron ineficientes en removilizar fotoasimilados hacia los granos. El número reducido de vainas y granos de (PS/RS110)-6-5-M, (PS/RS110)-5-3-M y (PS/RS110)-3-3-M (Figura 2) se relacionó con un nivel bajo de la demanda, lo que ocasionó que la distribución hacia los órganos reproductivos fuera limitada (^{Marcelis, 1996}) y esto afectó negativamente al rendimiento.

En el grupo de frijol Pinto el análisis mostró correlación significativa y positiva de IC con rendimiento (r = 0.75**), número de vainas (r = 0.53*) y numero de granos (r = 0.67**) (Cuadro 2), por lo que estos parámetros resultan útiles para hacer una selección de líneas y variedades de frijol de productividad alta; sin embargo, el número de vainas evaluado antes de la madurez es más sencillo de cuantificar que el número de granos, y debido a que tiene una correlación alta con el número de granos y el rendimiento éste es de gran utilidad cuando se requiere hacer una selección anticipada. El peso de cien semillas mostró asociación positiva con el rendimiento, y aunque la relación no fue significativa, esta característica también se considera entre los componentes principales del rendimiento (^{Adams, 1967}). La tendencia de la asociación entre la biomasa total y el IC resultó negativa, aunque no fue significativa, lo que demuestra que una acumulación alta de biomasa en estructuras vegetativas desfavorece el rendimiento por la retención de fotoasimilados en hojas, tallos y ramas. Por su parte, el rendimiento se asoció con el número de vainas (r = 0.67 **) y número de granos (r = 0.7**).

La correlación entre el número de vainas y numero de granos resultó alta y altamente significativa (r = 0.87**), lo que sugiere que cualquiera de las dos características puede utilizarse en la selección visual temprana de familias y líneas mejoradas de frijol con tolerancia al estrés por temperatura alta, aunque como se mencionó anteriormente, es más fácil visualizar la carga de vainas de la planta que el número de granos.

Efecto de la temperatura alta en frijol Flor de Mayo

En los materiales de tipo Flor de Mayo la variación entre accesiones del número de vainas por m² fue menor que la observada para el número de granos por m² (Figura 2A y 2B), hecho que está relacionado con las diferencias entre accesiones en el número de granos contenidos en cada vaina; ésto se puede observar entre las líneas FM Eugenia-1 y FM Eugenia-2 que tiene un número similar de vainas, pero con diferencias en el número de granos.

La producción más alta de biomasa se observó en la variedad Dalia, seguida de la línea Flor de Mayo Eugenia-2 que fueron significativamente superiores al resto (Cuadro 1). La línea de rendimiento alto (PS/FM Dolores)-M-9-2-9 mostró valores altos para el índice de cosecha, lo que se relacionó con eficiencia mayor para la removilización de la biomasa hacia el grano, tal como sucede para el frijol ejotero tolerante a estrés por calor (^{Suzuki et al., 2001}) y en la variedad Salinas, que fue el material de tipo Pinto de rendimiento más alto en este estudio.

Se observó correlación positiva entre la biomasa con el número de vainas (r = 66 **) (Cuadro 3), hecho que explica la importancia de la acumulación de materia seca, la cual fue utilizada para sustentar el crecimiento de los frutos en la mayoría de los materiales evaluados en este grupo de accesiones. Esta respuesta, a diferencia de lo observado en el grupo de frijol Pinto, se debe a la reacción neutral al fotoperiodo de las líneas y variedades de tipo Flor de Mayo, en este grupo sólo la variedad Dalia es de reacción de día corto, la cual tuvo la más alta acumulación de biomasa (Cuadro 1).

El rendimiento mostró relación significativa únicamente con el peso de cien semillas (r = 0.55*), lo que demostró la importancia del tamaño del grano en la productividad del frijol. El IC mostró una correlación negativa y altamente significativa con producción de biomasa (r = -0.74**), lo que permitió corroborar que los materiales con producción alta de biomasa fueron ineficientes para distribuir materia seca hacia las semillas debido al efecto de la temperatura alta sobre el establecimiento de las vainas y lo tardío de los materiales, lo que retrasó la floración; de hecho, el coeficiente de correlación (r = 0.66**) entre número de vainas y la biomasa sugiere que la mitad de la variación en el IC se explica por los valores de la biomasa, por lo que en este tipo de frijol sería importante seleccionar para un alto vigor o desarrollo del dosel, alto número de vainas por planta y alto número de granos por vaina.

Al comparar el número de vainas entre grupos de accesiones se observa que éste fue menor en los frijoles de tipo de Flor de Mayo en comparación con los Pintos, lo cual puede deberse a la precocidad de los frijoles de tipo Pinto para el inicio de la floración, característica presente en el germoplasma de la raza Durango (Figura 1A). Sólo la variedad Dalia de tipo Flor de Junio, incluida como testigo en esta comparación, y la línea (FM Anita/PtRcDgo)-1-1-1 mostraron un número de vainas por m² superior a 200, así como un número alto de granos por m²; además, ambas variedades estuvieron entre las de mayor número de vainas con seis granos y, en consecuencia, entre las de mayor rendimiento (Figura 2B).

En la región del Bajío es común observar en el frijol de riego establecido en febrero el aborto de flores y vainas pequeñas, sobre todo en años en que ocurren temperaturas superiores a 32 ^oC en abril y mayo, las que coinciden con la etapa reproductiva; ésto se observa sobre todo en materiales de tipo Flor de Junio con reacción sensible al fotoperiodo. La abscisión de órganos reproductivos es el primer determinante del rendimiento en leguminosas de grano bajo estrés por calor (^{Rainey y Griffiths, 2005}). Lo anterior coincide con lo señalado para materiales de frijol sensibles a temperaturas altas (^{Gross y Kiegel, 1994}; ^{Porch y Jahn, 2001}; ^{Suzuki et al., 2001}). En ocasiones se ha observado que vainas, pequeñas, sin granos, con valvas gruesas y duras permanecen en la planta sin caerse. En la localidad donde se realizó esta investigación se ha observado que materiales sensibles al fotoperiodo, sobre todo de ciclo intermedio y tardío, muestran crecimiento vegetativo abundante porque la temperatura alta incrementa el efecto de los días largos, se retrasa la floración y crecen los órganos vegetativos. Todos esos efectos son conducentes a la acumulación de biomasa en tallos y ramas, en detrimento del rendimiento de grano (^{Wallace et al., 1993}). ^{Kazai et al. (2019)} sugieren que el mejoramiento por precocidad a la floración y un establecimiento rápido de las vainas son características que contribuyen al escape de los efectos negativos del estrés por calor, tal como se observa en los materiales de tipo Pinto evaluados en este estudio. En áreas aledañas a la localidad de prueba algunos productores siembran desde mediados de enero; este ajuste en la fecha de siembra, combinado con el uso de variedades de ciclo corto, es una opción viable hasta en tanto se desarrollen variedades tolerantes a las altas temperaturas.

Las diferencias en la producción de biomasa entre accesiones están probablemente relacionadas con la reacción al fotoperiodo de cada material y con la capacidad para el establecimiento de las vainas, ya que como señala ^{Marcelis (1996)}, la fuerza de la demanda ejerce control sobre la removilización de los fotoasimilados de las hojas, tallos y ramas hacia las vainas y granos en desarrollo (^{Hay, 1995}). Así, materiales con un número bajo de vainas y con una cantidad alta de vainas con una o dos semillas mostraron producción alta de biomasa y un IC bajo (Hay, 1995); entonces, el IC puede limitarse por una floración tardía y niveles altos de acumulación de biomasa en órganos vegetativos (^{Evans, 1996}). En ocasiones la correlación negativa entre el IC y el tiempo a floración pueden reflejar un ambiente limitante al final de la estación de crecimiento, como puede ser falta de humedad, temperatura alta y otros tipos de estrés; en otras ocasiones, se relaciona con el desequilibrio entre el crecimiento vegetativo y el reproductivo (^{Evans, 1996}).

En cultivos como el frijol, que producen ramas y flores axilares, el crecimiento de los órganos vegetativos y reproductivos se traslapa y éstos compiten entre sí hasta que las vainas ejercen demanda alta; sin embargo, en materiales de frijol sensibles al fotoperiodo la competencia entre órganos se extiende y se observa crecimiento vegetativo, flores y vainas maduras en una misma planta, lo que genera un nivel bajo del IC, como se ha observado en la localidad de prueba con variedades de tipo Flor de Junio.

Entre los dos grupos de materiales, los promedios para el rendimiento y peso de cien semillas resultaron similares, y diferentes estadísticamente (P ≤ 0.05) para biomasa e IC (Cuadro 1); sin embargo, los de tipo Pinto son considerados como superiores porque maduraron una semana antes que los de tipo Flor de Mayo. Los materiales de frijol estudiados presentaron numerosas vainas con una sola semilla, debido a que durante la fase reproductiva se presentaron días con temperaturas máximas de hasta 35 ºC, lo cual, como se menciona en la literatura (^{Gross y Kiegel, 1994}; ^{Porch y Jahn, 2001}; ^{Suzuki et al., 2001}), dañó el polen y provocó aborto de flores, vainas y semillas.

La producción de biomasa fue alta en algunos materiales, debido a la distribución preferente de fotoasimilados hacia las estructuras vegetativas y la demanda baja ejercida por un número bajo de vainas y semillas, ocasionado por las temperaturas altas. En consecuencia, el IC resultó bajo, pero fue de importancia como indicador de la capacidad de removilización de fotoasimilados hacia la semilla en condiciones de estrés por calor.