Introducción

En México, el cultivo de avena (Avena sativa L.) tiene gran importancia, no sólo para el consumo humano, sino también como insumo clave en la producción de alimentos balanceados de uso pecuario, lo que aunado a su amplia adaptación, tanto en zonas altas, frías y lluviosas, como en ambientes semiáridos, lo coloca como cultivo estratégico. La superficie sembrada de avena forrajera en México durante el ciclo agrícola 2021 fue de 645.5 mil ha, obteniendo una producción de alrededor de 10 millones de toneladas, con un rendimiento promedio de 15.6 t ha^-1 en fresco, mientras que la superficie sembrada de avena para grano fue de 49.4 mil ha, con una producción de alrededor de 101 mil t, con rendimientos promedio de 2.0 t ha^{-1 (SIAP, 2022)}.

La avena, al igual que otros cereales, está expuesta a los daños que ocasionan las enfermedades, siendo las royas las más significativas. La roya del tallo, causada por el hongo Puccinia graminis f. sp avenae, se presenta en casi todas las áreas del mundo donde se cultiva avena, afectando cualquier parte de la planta que se encuentre sobre la superficie del suelo, desde la etapa de plántula hasta el llenado de grano. En los Valles Altos de la Mesa Central de México es especialmente importante durante el ciclo primavera-verano, dado que se presentan las condiciones necesarias para el progreso de la enfermedad, daño que se ve reflejado en la reducción de 60 a 75 % en la producción de materia seca en variedades susceptibles y de 30 a 40 % en el peso del grano ^{(Villaseñor-Mir et al., 2021)}. A partir de 1960, el Campo Experimental Valle de México (CEVAMEX) de INIFAP ha puesto a disposición de los productores nuevas variedades con mejores características agronómicas y fitopatológicas con el objeto de reducir las pérdidas ocasionadas por los diferentes factores bióticos y abióticos que inciden en el cultivo ^{(Villaseñor-Mir et al., 2021)}. A pesar de los progresos que se han tenido en los últimos años en el campo de los agroquímicos con el descubrimiento de una serie de técnicas y estrategias para el manejo de las enfermedades, la generación de variedades resistentes representa una estrategia económica y amigable con el ambiente.

Hasta el año 2000 se habían identificado 13 genes que confieren resistencia a Puccinia graminis f.sp. avenae (Pga): Pg1, Pg2, Pg3, Pg4, Pg8, Pg9, Pg11, Pg12, Pg13, Pg15, Pg16, Pg17 y Pg-a, descritos por ^{Šebesta et al. (2000)}. Actualmente hay 17 genes Pg numerados e identificados, incluyendo el complejo Pg-a, los genes Pg5 y Pg7 son repetición de los genes Pg4 y Pg6, respectivamente, y no se usan como líneas diferenciales ^{(Fetch y Jin, 2007)}. Los genes Pg1, Pg2, Pg4, Pg9, Pg13 y Pg-a han sido incorporados en variedades cultivadas en USA y Canadá ^{(Kebede et al., 2020a)}; sin embargo, no existen evidencias de su uso en México. ^{McCallum et al. (2007)} mencionan que en Canadá la principal estrategia de manejo es el uso de variedades que contengan genes de resistencia. Los genes Pg2 y Pg13 son los más eficaces en Canadá y están presentes en muchas variedades de avena actuales; sin embargo, en 1998 se detectaron las razas NA67 (TJJ) y NA76 (TJG) con virulencia en Pg2 y Pg13 y avirulencia para Pg-a, Pg15 y Pg16 en la región de las grandes planicies de Canadá; actualmente, en esta región la raza NA67 (TJJ) es predominante, por lo que todas las variedades canadienses son susceptibles a dicha raza. De los 17 genes Pg descritos, sólo Pg6, Pg10, Pg11, Pg12, Pg16 y el complejo Pga confieren resistencia a las razas TJJ y TJG ^{(Fetch y Dunsmore, 2004)}, ninguno de estos genes se ha incorporado en cultivares de avena canadienses, excepto Pg-a en las variedades Stainless ^{(Fetch et al., 2011)}, AAC Justice, AAC Oravena y AAC Kongsore ^{(Kebede et al., 2020b)}, pero el complejo Pga se ha usado en los EUA ^{(McCallum et al., 2007)}. La conjunción de estos genes, además de Pg2 y Pg13, haría que los nuevos cultivares de avena sean resistentes a las razas norteamericanas comúnmente prevalentes del patógeno ^{(Kebede et al., 2020b)}. De éstos, el complejo Pga (gen complementario Pg12+) ^{(Martens y Dyck, 1989)} se ha usado en cultivares de avena en los Estados Unidos, pero no se tienen reportes de su uso en Canadá y México. Se han realizado intentos de utilizar la resistencia del complejo hexaploide de avena Pg10, Pg11, Pg16 o Pg-a en los programas de mejoramiento de avena en Canadá, pero a la fecha no se han liberado variedades con estos genes de resistencia. El gen Pg11 es eficaz sólo en la etapa de planta adulta y se ha asociado con deficiencia de clorofila ^{(Harder et al., 1971)}, mientras que Pg16 no ha sido usado extensivamente debido a reducción del rendimiento en 10 % aproximadamente (J. Mitchell Fetch; Com. Pers.)¹. El gen Pg6 derivado de la especie diploide Avena strigosa (Saia) es efectivo en la mayoría de las razas de roya del tallo de avena en América del Norte. De 77 razas norteamericanas de roya del tallo de avena caracterizadas por ^{Fetch y Jin (2007)}, sólo NA1 y NA70 mostraron virulencia a Pg6.

En estudios de aislamientos de roya del tallo de avena de una epidemia reciente en la provincia de Hebei, China, se detectó virulencia para todos los genes Pg, excepto para Pg6 y Pg15 ^{(Li et al., 2015)}, mientras que en muestras colectadas entre 2018 y 2019, todos los aislamientos fueron virulentos a Pg1, Pg2, Pg3 y Pg4, pero avirulentos a Pg6 y Pg16 ^{(Li et al., 2022)}. En un estudio realizado en Polonia no se reportó virulencia para Pg-a, Pg12 y las variedades Alpha y Omega en muestras colectadas de 2017 a 2020 ^{(Sowa et al., 2021)}; sin embargo, los estudios de virulencia de aislamientos de roya del tallo de regiones de Australia y Sudáfrica han detectado una alta frecuencia de razas con virulencia a Pg6 ^{(Adhikari et al., 1999}; ^{Boshoff et al., 2019)}.

Por décadas, Pg2 y Pg13 han sido la espina dorsal de la resistencia de las variedades de avena a la roya del tallo en Estados Unidos y Canada ^{(Kebede et al., 2020a)}. La acción génica de los genes que confieren resistencia a P. graminis y que se usan como diferenciales va desde dominancia completa e independiente a genes recesivos, genes parcialmente dominantes y genes con dominancia completa pero sólo efectivos en planta adulta ^{(Šebesta et al., 2000)}.

En la determinación de la herencia de la resistencia en genotipos resistentes de avena a la roya del tallo se ha definido la acción de genes dominantes: un gen dominante y un recesivo (13:3): dos recesivos y un sistema de genes complementarios ^{(Adhikari et al., 1999}; ^{Mariscal et al., 2009)}. En México existen pocos estudios sobre la herencia de la resistencia a roya del tallo en avena; sin embargo, se ha postulado la presencia de ciertos genes en estudios hechos en Canadá con razas de ese mismo país. De 103 líneas evaluadas procedentes del Programa Nacional de Avena en la etapa de plántula y planta adulta, se postuló la presencia del complejo Pg-a, además de la combinación de los genes Pg2+ Pg9, Pg-a+ Pg9, Pg4 y Pg13. Las pruebas de campo indicaron la presencia del gen de resistencia de planta adulta Pg11 en 22 de las líneas evaluadas ^{(Salmeron et al., 1996)}. Existe controversia en cuanto a la acción génica de Pg-a, originalmente descrito en el genotipo C.I.9139. De acuerdo con ^{Šebesta et al. (2000)}, el complejo Pg-a es debido a la acción de tres genes recesivos, siendo Pg12 uno de ellos; sin embargo, estudios posteriores indicaron que el complejo Pg-a es debido a la acción de dos genes complementarios y que Pg12 no es parte del complejo, aunque Kyto (Pg12) es uno de los progenitores de Omega, Pg12 no estuvo presente en ninguna línea resistente y no estuvo involucrado en la respuesta de Pg-a ^{(Adhikari et al., 1999)}. La controversia continua, ya que estos últimos autores indicaron la presencia de dos genes recesivos complementarios, pero las frecuencias probadas indicarían la presencia de dos genes complementarios dominantes. Estos mismos autores indicaron que Pg-a es sensible a altas temperaturas y es inefectivo a temperatura de 26 ^oC y mayores; sin embargo, en un estudio reciente ^{(Kebede et al., 2020a)} aún se considera a Pg12 como parte del complejo Pg-a ^{(Martens et al., 1981)}.

En un estudio de resistencia genética, realizado por ^{Mariscal et al. (2009)}, se determinó la resistencia en los genotipos de avena Karma, Avemex y Calandria cruzadas con Chihuahua y Ópalo. Los autores encontraron que la segregación de la generación F₃ de la progenie de Karma se ajustó a dos genes complementarios dominantes (1:8:7, resistentes, segregantes y susceptibles, respectivamente), mientras que las progenies de Avemex y Calandria segregaron en la proporción fenotípica 3:1, lo que indicó la presencia de un gen dominante confiriendo la resistencia a la roya del tallo. Aun cuando los estudios de resistencia en el cultivo de avena en México son escasos, la incorporación de resistencia genética a través del mejoramiento es un método de control eficiente, ya que a través de éste se han liberado variedades resistentes. Debido a la importancia del cultivo de avena y de la roya del tallo, el objetivo del presente estudio fue determinar la herencia de la resistencia a la roya del tallo en las progenies F₃ de avena de las cruzas derivadas entre genotipos resistentes y susceptibles.

Materiales y métodos

Resultados y discusión

En los progenitores resistentes se confirmó la resistencia cuando los progenitores susceptibles Obsidiana y Jade alcanzaron infecciones del 80-100% de severidad, mientras que los resistentes (Prog-17 y Prog-18) presentaron infecciones entre 1 y 5 %. En el Cuadro 4 se muestra la reacción de los progenitores al aislamiento AMEX 20.2 de roya del tallo en las familias F₃. El progenitor Obsidiana fue susceptible, mientras que el Prog-19 (AGATA.B/DIAM) mostró dos tipos de reacción en plantas con bajo nivel de infección (1 %) y plantas susceptibles (60 %), posiblemente debido a una mezcla entre genotipos. El comportamiento de este progenitor puede tener efectos anormales en las proporciones de las relaciones fenotípicas de las progenies F₃.

Para la determinación del número de genes se tomó como referencia el número de familias homocigotas susceptibles, ya que éstas son más fáciles de distinguir en campo con una infección visible, bajo el supuesto de que la virulencia del patógeno es recesiva y la resistencia de la planta es dominante. La frecuencia de familias susceptibles similares al progenitor susceptible es la que sirve de base para determinar el número de genes de acuerdo con las proporciones esperadas ^{(Villaseñor-Espín et al., 2009)}.

Las frecuencias de las cruzas resistente × susceptible se muestran en el Cuadro 5, las cruzas fueron D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A × OBSIDIANA, D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A × JADE y D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A × BACHINIVA; las frecuencias que se observaron fueron 15:72:13, 17:71:12 y 11:123:16 (resistentes: segregantes: susceptibles, respectivamente) para el análisis se agruparon las familias resistentes + segregantes, debido a que en campo las familias más fáciles de identificar son las susceptibles, pues las segregantes se pueden confundir con las resistentes cuando tiene niveles bajos de infección.

Las frecuencias relativas se ajustaron a la relación fenotípica 57:7 (χ ² _cal = 0.4367, 0.1174 y 0.0113; χ ² _tab = 3.84), indicando que el Prog-18 (D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A) ,posee dos genes dominantes complementarios más uno dominante independiente, cuando se cruzó con los progenitores susceptibles Obsidiana, Jade y Bachiniva.

La relación esperada 57:7 provino de la segregación 19 resistentes: 38 segregantes y 7 susceptibles para el caso de tres genes; dos genes dominantes complementarios y uno dominante independiente.

El primer caso documentado de resistencia a la roya determinada por genes complementarios en cereales de grano pequeño fue el de la resistencia a la roya de la corona en avena cv. Bond ^{(Baker, 1966)}; posteriormente, se ha reportado la presencia de genes complementarios en trigo en respuesta a la infección de roya de la hoja causada por P. triticina ^{(Huerta et al., 2010}; ^{Singh y McIntosh, 1984)}.

Resultados similares a la relación fenotípica 57:7 fueron reportados por ^{Bárcenas-Santana et al. (2016)} al agrupar las familias resistentes + familias segregantes y compararlas con las familias susceptibles en estudios de genética de la resistencia a roya del tallo en trigos cristalinos (Triticum durum L.), donde encontraron segregación en las generaciones F₃ de la progenie Atil C2000 y Cirno C2008, las frecuencias observadas fueron 29:110:20 y 23:137:19 resistentes: segregantes: susceptibles, respectivamente, y ambas frecuencias se ajustaron a la relación fenotípica 57:7, lo cual indicó que Atil C2000 y Cirno C2008 poseían tres genes de resistencia; dos genes dominantes complementarios y un tercer gen con dominancia completa e independiente.

Por otra parte, ^{Soliman et al. (2014)} encontraron frecuencias fenotípicas de 57:7 al evaluar las cruzas de Somateria (susceptible) × Don Valentin y Don Ricardo (Resistentes) y en la cruza de Jupare × Don Jaime, Don Juan y Colosseo. Esta misma relación se observó en un estudio realizado por ^{Prijić y Jerković (2010)} contra P. triticina en plántulas de familias F₂ de las cruzas de las variedades Anastasia y Selekta con diferenciales que poseían diferentes genes. En un estudio de la herencia de la resistencia en avena en Canadá, la F₂ de cruzas Ronald × AC Gwen se ajustaron a una proporción 13:3, que indica la presencia de un gen dominante y uno recesivo ^{(Fetch y Fetch Jr., 2010)}.

La segregación de tres genes de resistencia en el progenitor D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A, que incluye un gen con dominancia completa y dos genes complementarios, podría ser similar a los genes Pg-a + Pg9 postulados por ^{Salmerón et al. (1996)}, o bien la presencia de Pg-a (genes complementarios) ^{(Adhikari et al., 1999)}, más otro gen de resistencia no identificado, similar al reportado por ^{Mariscal-Amaro et al. (2009)}. No se descarta la posibilidad de que el tercer gene pueda ser Pg11, pues también fue postulado en el germoplasma mexicano por ^{Salmerón et al. (1996)}. Por otro lado, los dos genes complementarios en la variedad Karma ^{(Mariscal-Amaro et al., 2009)} podrían ser similares a los encontrados en el presente estudio, sólo que el comportamiento de Karma fue resistente cuando se realizó el estudio y ahora moderadamente resistente ^{(Huerta-Espino et al., 2022)}. Lo anterior indica que la expresión de la resistencia y el número de genes está en función de los genes de virulencia o avirulencia que la raza del patógeno posee ^{(Delgado-Sanchez et al., 2022)}. En la cruza del Prog-18 (D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A) con el Prog-19 (AGATA.B/DIAM) (Cruza 4), la prueba de bondad de ajuste indicó que las proporciones fenotípicas 57:7 no fueron las más apropiadas y que se ajustarían mejor a la proporción 15:1 (χ² _cal = 0.86, χ² _tab = 3.84). El comportamiento de esta cruza se podría explicar al analizar por separado el comportamiento de las progenies por su origen de la F₁. En las progenies de dos plantas F₁ (1 y 3) no se encontraron familias susceptibles, lo que indicaría que los genes de resistencia en los progenitores involucrados son los mismos. En la progenie de la planta 2 se observaron tres familias susceptibles (3/50), lo que se ajustaría a dos genes dominantes (15:1); sin embargo, la hipótesis de dos genes dominantes no es congruente con lo observado en las cruzas anteriores (57:7). La progenie de esta cruza indicaría que el Prog-19 (AGATA.B/DIAMANTE) no es una línea pura.

Por otro lado, la ausencia de familias susceptibles en la cruza 3, (Prog-18 × Prog-17) indicaría la similitud de genes de resistencia en ambos progenitores, aunque lo más probable es que estas progenies sean producto de autofecundación. La población de esta cruza se generó a partir de una planta F₁, por lo que los resultados no son confiables y será necesario repetir esta cruza para verificar la similitud de genes. Los resultados del presente estudio indican que para confirmar la presencia del complejo Pga es necesario realizar la cruza del Prog-18 con variedades de avena portadores de este complejo; además, es necesario confirmar la asociación de Pg11 con genotipos que muestren deficiencia de clorofila (cierto grado de clorosis). A la fecha, se dispone de genotipos resistentes en planta adulta, pero para diversificar las fuentes de resistencia es necesario considerar otros genes como Pg6, Pg10 y Pg16, que son efectivos contra TJJ y TJG, pero que no se han usado en el desarrollo de variedades de avena. La conjunción asistida con marcadores de estos genes con Pg2 y Pg13 podría proporcionar resistencia duradera en futuras variedades de avena en México.

Conclusiones

En las cruzas del Prog-18 (D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A) × Obsidiana, Jade y Bachiniva, las frecuencias de resistentes y susceptibles se ajustaron a la relación 57:7, indicando que el Prog-18 posee dos genes dominantes complementarios más uno dominante independiente. La ausencia de familias susceptibles en la Cruza 3, (Prog-18 × Prog-17) indica el resultado de una autofecundación y no de una cruza. En la Cruza 4 del Prog-18 (D0RA/OBS//I0RN.S97CV.8A) con el Prog-19 (AGATA.B/DIAM), la prueba de bondad de ajuste indica que las proporciones fenotípicas 57:7 no fueron las más apropiadas, ya que se obtuvo el ajuste a la proporción 15:1, lo que indica que el Progenitor AGATA.B/DIAM no es una línea pura.