Localización

El experimento se realizó en macetas de plástico en los ciclos otoño-invierno 2014-2015 y primavera-verano 2015, en el Colegio de Postgraduados, Texcoco, Estado de México (19° 29’ N, 98° 54’ O y 2,250 msnm). El clima es templado subhúmedo (Cb(wo)(w)(i´)g), con lluvias en verano, media anual de 637 mm de precipitación y 15 °C de temperatura¹¹.

Material vegetal

Se utilizaron 200 familias de medios hermanos (FMH) derivadas de las variedades comerciales San Miguel y Oaxaca (Semilla certificada obtenida de Casa Cobos S.A. de C.V., Central de Abastos, Ciudad de México, México) y 200 FMH derivadas de las poblaciones segregantes San Miguel (progenitor femenino) x Oaxaca (progenitor masculino) (cruza directa) y Oaxaca (progenitor femenino) x San Miguel (progenitor masculino) (cruza recíproca). La semilla de las poblaciones segregantes se obtuvo por cruzamiento genético entre las variedades San Miguel y Oaxaca (cruza directa) y Oaxaca y San Miguel (cruza recíproca), mediante la utilización de insectos polinizadores (abejas) en condiciones de campo (Figura 1). Las variedades San Miguel y Oaxaca, se eligieron para los cruzamientos en virtud de su notoria durabilidad mostrada en condiciones de campo, en un experimento establecido para el estudio del comportamiento productivo de cinco variedades comerciales de alfalfa (San Miguel, Oaxaca, Moapa, Valenciana y Cuf-101) en el mes de marzo del año 2000¹² y conducido hasta el ciclo invierno-primavera-2006 en el Colegio de Postgraduados, Montecillo, Texcoco, Estado de México.

Figura 1 Sistema de cruzamiento genético entre dos variedades de alfalfa con la utilización de insectos polinizadores en condiciones de campo. Montecillo, Municipio de Texcoco, Edo. de México 

La producción de la semilla tuvo lugar en el periodo de enero a mayo de 2006. La semilla producida se cosechó en conjunto de todas las plantas presentes en la población de cada cruza y se utilizó para establecer el primer ciclo de selección familial⁶. Se utilizó una caja de unicel para almacigo con 100 celdas para cada población. Se sembraron cinco semillas del mismo tamaño en cada celda. El suelo utilizado fue de textura franco-arenosa, con 41.6 % de capacidad de campo (CC), 28.2 % de marchitamiento permanente (PMP), 9.3 % de materia orgánica, 0.019 % de nitrógeno, 4.8 ppm de fósforo, 4 mmol L^-1 de potasio, 1.5 dSm^-1 de conductividad eléctrica y pH de 6.9. La siembra se realizó el día 6 de junio del 2014; cuando las plántulas presentaron la primera hoja trifoliada (15 días después de la siembra, dds), se eligió la plántula más vigorosa de cada celda y se trasplantó en una maceta de plástico con capacidad de 3 kg de suelo. Las FMH de cada población se asignaron aleatoriamente a las macetas de plástico en un diseño completamente al azar. Se fertilizó con la dosis 60-140-00 a los 15 y 240 dds, con urea como fuente de nitrógeno y superfosfato de calcio triple como fuente de fósforo. Se efectuó un corte de uniformización en las plantas a los 98 dds. Cada tercer día se aplicó agua, manteniendo la humedad edáfica cercana a CC durante el experimento.

Variables

Cada cinco semanas se realizaron cortes en el periodo otoño-invierno 2014-2015 y cada cuatro semanas en primavera-verano 2015 a partir del día 98; los cortes se hicieron a una altura de 5 cm sobre el nivel del suelo. La composición morfológica de la planta se evaluó en una submuestra de cuatro tallos secundarios completos de cada planta y corte en todas las FMH, separando las hojas (foliolos y peciolos) y tallos; la submuestra y el resto de los tallos secundarios de la planta se secaron a 65 °C hasta peso constante y posteriormente se obtuvo el peso.

La altura de planta (AP, cm) se midió en todas las FMH antes del corte con una regla de madera de 1 m de longitud (graduada en cm) desde la superficie del suelo hasta el ápice del tallo. El número de tallos secundarios (NT) por planta se determinó en cada corte en todas las FMH. El rendimiento de materia seca (RMS, g de MS planta^-1) o biomasa aérea se obtuvo al sumar el peso seco de la submuestra de los cuatro tallos y el peso seco del resto de la planta. La relación hoja:tallo (H:T) se calculó con los datos de peso seco de las hojas (PSH) y el peso seco de los tallos secundarios (PST) (H:T = PSH / PST). La tasa absoluta de crecimiento (TAC, g de MS planta^-1 día^-1) se calculó al dividir el RMS entre el número de días (t) transcurrido entre un corte y el siguiente (TAC = RMS/t). La eficiencia en el uso de la radiación (EUR, g de MS MJ^-1) se calculó al dividir el RMS entre la cantidad de radiación fotosintéticamente activa (RFA, MJ m^-2 d^-1) acumulada (RFA= radiación global incidente (cal cm^-2 d^-1) x 0.5 x 0.04148) entre un corte y el siguiente (EUR= RMS / RFA)¹³; los datos de radiación global incidente se obtuvieron de la estación meteorológica de la Universidad Autónoma Chapingo, Chapingo, Estado de México, localizada a 4 km de distancia del lugar en el que se realizó el experimento.

Temperatura del aire y lluvia

Los datos de temperatura máxima (TM) y mínima (Tm) del aire se registraron diariamente a las 0800 h con un termómetro de máxima y mínima, marca Taylor modelo 5458P, colocado a una altura de 2 m sobre el nivel piso. La TM varió de 23.5 a 29.9 °C y la Tm de 4.0 a 12.6 °C durante el experimento. Los datos diarios de lluvia se determinaron con un pluviómetro de acumulación semanal, colocado junto a las plantas; la precipitación pluvial total fue 1,042 mm con los niveles más bajos en el periodo de noviembre 2014 a enero 2015, sin que esto haya tenido efectos desfavorables en el crecimiento de las plantas, al aplicarse riego conforme fue necesario.

Análisis estadístico

El análisis de varianza para todas las variables medidas se hizo con el programa SAS para Windows, Versión 9.1¹⁴ y el modelo estadístico:

Y _ijk = µ + Pob _i + Fam(Pob) _ik + Corte _j + (Pob*Corte) _ij + Corte*Fam(Pob) _ijk + E _ijk ;

Donde:

Y _ijk representa el valor de la variable de respuesta en la población i del nivel de corte j y nivel k de FMH;

µ es la media general, Pob _i es el efecto de la Población al nivel i = 1, 2, 3 y 4;

Fam(Pob) _ik es el efecto de familias de medios hermanos anidadas a las poblaciones al nivel i y k;

Corte _j es el efecto de la fecha de corte al nivel j = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11;

(Pob*Corte) _ij es el efecto de la interacción Población x Corte al nivel i y j;

Corte*Fam(Pob) _ijk es el efecto de la interacción Corte x FMH anidadas a las poblaciones al nivel i, j, k;

E _ijk es el error experimental.

El componente Corte*Fam(Pob) _ijk , no se pudo separar del error, debido a que no hubo una fuente de variación para repeticiones en el análisis de varianza.

Efectos genéticos y ambientales

Los efectos genéticos y ambientales se calcularon a través de la varianza fenotípica ( σf2) y sus componentes varianza genética (σg2) y varianza ambiental (σe2), donde la varianza total o fenotípica es la suma de σg2 y σe2 (σf2 = σg2 + σe2)¹⁵. Las varianzas se estimaron con los cuadrados medios de cada población de acuerdo al análisis de varianza obtenido con el modelo estadístico; Y _ijk = µ + Fam(Poblaciones) _ij + E _ijk ; donde Y _ijk representa el valor de la variable de respuesta en la población i del nivel j de FMH; µ es la media general; Fam(Poblaciones) _ij es el efecto de las FMH anidadas a las poblaciones al nivel i, j y E _ijk es el error experimental. También, se estimó la heredabilidad en sentido amplio (h ² _b = σg2 / σf2 = σg2/(σg2+σe2)) ^15,16. Las FMH estadísticamente superiores se seleccionaron en las poblaciones segregantes, al utilizar el valor de la intensidad de selección (i= D / σ_f), calculada como el cociente entre el diferencial de selección estandarizado (D) y la desviación estándar fenotípica (σ_f)¹⁵, y el valor de la proporción seleccionada o presión de selección (p)^15,17..

Parámetros de selección

La selección familial aumentó 32, 31, 32, 6 y 36 %, el RMS, TAC, EUR, NT y AP en la población San Miguel x Oaxaca, y 30, 28, 30 y 34 % el RMS, TAC, EUR y AP en Oaxaca x San Miguel con respecto a la media de los progenitores, mientras que la relación H:T disminuyó 48 % en San Miguel x Oaxaca y 51 % en Oaxaca x San Miguel (Cuadro 1). La ganancia en RMS obtenida en el presente estudio fue mayor que la reportada con pruebas de progenie; las FMH y FHC (familias de hermanos completos) derivadas de polinización abierta (OP₁) de una cruza dialélica (F₁) produjeron sólo 8 y 9 % mayor rendimiento de materia verde, y 5 y 12 % mayor número de tallos por planta que las variedades originales¹⁸. Los resultados de selección familial contra selección masal en alfalfa han indicado porcentajes similares para RMS (16 y 14 %) y fibra cruda (-1.6 vs. -1.5 %)¹⁹.

Los valores obtenidos para los parámetros de selección (D, σ_f, i y p) permitieron detectar que el 13 % de las FMH derivadas de San Miguel x Oaxaca, y 17 % de las FMH derivadas de Oaxaca x San Miguel tuvieron mayor RMS, TAC y EUR por planta que el resto de las FMH (Cuadro 1). La media (µ₁) de RMS, TAC y EUR para las 13 FMH derivadas de San Miguel x Oaxaca y las 17 FMH derivadas de Oaxaca x San Miguel fue mayor que la media (µ₂) de las FMH derivadas de las variedades originales San Miguel y Oaxaca. En contraste la relación H:T, número de tallos y altura de planta mostraron un comportamiento diferente al RMS; la media de la relación H:T de las FMH derivadas de San Miguel x Oaxaca y Oaxaca x San Miguel fue menor que la media de San Miguel y Oaxaca; la media del NT de las FMH de San Miguel x Oaxaca fue mayor que la media de San Miguel y Oaxaca, y el NT en Oaxaca x San Miguel fue similar a la media de San Miguel y Oaxaca; la media de AP de las FMH derivadas de las dos poblaciones segregantes fue mucho mayor que la media de San Miguel y Oaxaca (Cuadro 1).

La selección individual intrapoblacional es efectiva en la identificación de genotipos superiores, utilizando la prueba de progenies⁶. Los altos valores promedio de la relación H:T, NT y AP observadas en las poblaciones segregantes, no permitió detectar FMH sobresalientes para estas características de la planta (Cuadro 1).

Rendimiento de materia seca y sus componentes

El análisis de varianza detectó 13 FMH sobresalientes por su RMS, TAC y EUR en la población San Miguel x Oaxaca (Cuadro 2) y 17 FMH en la población Oaxaca x San Miguel (Cuadro 3); se presentan también datos para las cinco familias con el más bajo RMS en estas poblaciones (Cuadros 2 y 3). Las 13 FMH sobresalientes de la población San Miguel x Oaxaca produjeron 53 % mayor RMS que el promedio de las variedades originales, y 82 % mayor RMS que la media de las FMH de más bajo rendimiento (Cuadro 2), mientras las FMH sobresalientes derivadas de la población Oaxaca x San Miguel produjeron 47 y 68 % mayor RMS que la media de las variedades originales y la media de las familias de más bajo rendimiento (Cuadro 3).

El RMS de las FMH sobresalientes derivadas de la población San Miguel x Oaxaca (cruza directa) (Cuadro 2) fue 11 % mayor que el RMS de las FMH sobresalientes derivadas de Oaxaca x San Miguel (cruza recíproca) (Cuadro 3) y por el contrario, las FMH con el más bajo rendimiento derivadas de la población San Miguel x Oaxaca produjeron 30 % menor RMS (Cuadro 2) que las FMH con el más bajo rendimiento derivadas de Oaxaca x San Miguel (Cuadro 3).

El comportamiento genético diferencial entre las FMH derivadas de la cruza directa (San Miguel x Oaxaca) (Cuadro 2) y la cruza recíproca (Oaxaca x San Miguel) (Cuadro 3) en el RMS y sus componentes, puede ser indicativo de la presencia de moléculas de ADN en los organelos citoplásmicos (específicamente cloroplastos y mitocondria), que se conoce también como herencia citoplásmica o efectos genéticos maternos que se expresan en las cruzas recíprocas, al mostrar diferentes resultados con respecto a la cruza directa¹⁶. La selección de progenies sobresalientes derivadas de poblaciones parentales con efectos genéticos citoplásmicos en la herencia del RMS, es importante para maximizar las ganancias genéticas en la productividad²⁰.

Las FMH sobresalientes de San Miguel x Oaxaca exhibieron una TAC= 0.2 g de MS d^-1 más alta que la media de los progenitores y 0.3 g de MS d^-1 que las FMH de más bajo RMS (Cuadro 2); las FMH sobresalientes de Oaxaca x San Miguel mostraron una TAC= 0.15 g de MS d^-1 más alta que la media de San Miguel y Oaxaca, y una TAC= 0.22 g de MS d^-1 más alta que la media de las FMH de más bajo RMS (Cuadro 3). Las diferencias observadas en la TAC entre las FMH sobresalientes y las FMH de más bajo RMS fueron similares a las que se observaron para el RMS en otros estudios¹². La TAC es un componente muy importante del RMS; en un estudio previo se mostró que las variedades San Miguel, Oaxaca y Moapa produjeron más alta TAC y RMS estacional que las variedades Cuf-101 y Valenciana en Montecillo, Texcoco, Edo. de México¹²; la TAC también tiene una relación importante con la acumulación de materia seca y el índice de área foliar en condiciones de campo, no así con el número de hojas por tallo²¹.

Las FMH sobresalientes de San Miguel x Oaxaca produjeron 52 % mayor EUR que el promedio de las variedades originales y 82 % mayor que la media de las FMH de más bajo RMS (Cuadro 2); de la misma forma, las FMH sobresalientes de Oaxaca x San Miguel produjeron 47 % mayor EUR que la media de los progenitores y 78 % mayor EUR que la media de FMH de más bajo RMS (Cuadro 3). La eficiencia con que las plantas capturan la radiación solar y la transforman en biomasa está determinada por la eficiencia en el uso de la radiación (EUR); diversos estudios han determinado que la EUR en alfalfa varía alrededor de 1.13 g de MS MJ^-1- en la producción de biomasa²². La EUR se incrementa linealmente de 0.60 a 1.60 g MS MJ^-1 en promedio, cuando se incrementa la temperatura del aire entre 6 a 18 °C²³.

Con respecto a AP, NT y relación H:T se debe considerar su importancia para el RMS y la calidad del forraje en la selección de nuevas variedades, pues en el presente estudio, la selección por alto RMS resultó en plantas altas con baja relación H:T y NT. No obstante, se identificaron algunas FMH con características de altos RMS, relación H:T (FMH-201) y NT (FMH-219, FMH-250, FMH-260 y FMH-282) en la población San Miguel x Oaxaca (Cuadro 2), y altos RMS, relación H:T (FMH-652, FMH-673 y FMH-685) y NT (FMH-605, FMH-623, FMH-631, FMH-639, FMH-652, FMH-673, FMH-685 y FMH-690) en la población Oaxaca x San Miguel (Cuadro 3). La selección por RMS y otros caracteres morfológicos de la planta depende del número de genes que controlan el carácter de interés para los mejoradores (genes aditivos, de dominancia o epistáticos); los caracteres cualitativos (controlados por uno o pocos genes) son más fáciles de seleccionar que los caracteres cuantitativos (controlados por numerosos genes); es importante también considerar el nivel de heredabilidad e interacciones génicas negativas que al mejorar un carácter genético inhiben la expresión de otro, y los pasos generales apropiados como los objetivos del mejoramiento, creación/colección de la variabilidad, selección, evaluación y liberación de cultivares; utilización de métodos y técnicas con base en el modo de reproducción de las especies; autogamía, alogamía o propagación clonal²⁴.

Efectos genéticos, ambientales y heredabilidad

La cruza directa (San Miguel x Oaxaca) mostró mayor varianza genética para el RMS y sus componentes que la cruza recíproca (Oaxaca x San Miguel); las variedades San Miguel y Oaxaca presentaron valores de varianza genética, intermedios entre las dos cruzas (Cuadro 4). La varianza genética proviene de la contribución de genes segregantes y sus interacciones con otros genes en la planta, de tal forma que la selección efectiva de individuos genéticamente superiores requiere que: 1) la variación fenotípica sea la adecuada en la población original y 2) la heredabilidad sea suficientemente alta para una selección efectiva; en general se considera que un incremento en la heredabilidad y la varianza fenotípica se reflejará en un aumento en la ganancia genética a través de la selección²⁵.

El RMS, NT y AP presentaron mayor varianza genética que los demás componentes del rendimiento tanto en las cruzas como en las variedades progenitoras. Uno de los mayores aspectos a considerar en los programas de mejoramiento genético es la heredabilidad (h ² ) de caracteres útiles de la planta, presentes en la variabilidad genética disponible. La heredabilidad fue de moderada a alta en RMS y sus componentes en la cruza directa y de baja a moderada en la cruza recíproca, excepto para la AP que mostró mayor heredabilidad que las otras características de la planta (Cuadro 4). La heredabilidad mide la contribución del genotipo a la varianza fenotípica total; teóricamente puede variar de cero, cuando no hay variación genética presente, a la unidad, cuando toda la variación observada es genética en su origen. Sin embargo, debe distinguirse entre la heredabilidad en sentido amplio (h ² _b), antes definida, y la heredabilidad en sentido estrecho (h ² _n), la cual representa el cociente entre la varianza aditiva en lugar de la varianza genética total y la varianza fenotípica²⁶.

El RMS y la calidad del forraje, representada por la relación H:T son objetivos primordiales en el mejoramiento de la alfalfa; la heredabilidad para el RMS y la relación H:T, y los demás componentes del crecimiento fue más alta en San Miguel x Oaxaca que en Oaxaca x San Miguel. Sin embargo, los datos corroboran la presencia de genotipos con alto RMS y relación H:T, y demás componentes del crecimiento en ambas poblaciones (Cuadros 2 y 3). Estos resultados contrastan con los obtenidos para el RMS y la relación H:T en FMH y líneas (S₁) de alfalfa, en los que el rendimiento de forraje y la relación H:T fueron independientes, debido a la ausencia de variabilidad en la relación H:T de los materiales seleccionados por alto RMS⁹. No obstante, estos resultados indican que la selección permitió identificar FMH que combinan alto RMS con otros caracteres deseables como la relación H:T, NT, TAC y EUR (Cuadros 2 y 3), lo cual puede favorecer una respuesta continua a la selección²⁶.

La combinación de caracteres de herencia génica nuclear, debida a la varianza genética aditiva y caracteres de herencia citoplásmica o herencia de efectos maternos, debida a la presencia de moléculas de ADN en la mitocondria y los cloroplastos, puede contribuir a maximizar la ganancia genética en el RMS e incrementar la eficiencia de la selección en alfalfa y otras especies cultivadas, donde los efectos génicos maternos estén presentes y se expresen en el fenotipo de las progenies. El mejorador apenas tiene ocasión de tratar con caracteres genéticos portados por uno u otro de dichos organelos, sin embargo, algunas veces, estos organelos pueden ser portadores de caracteres de excepcional importancia en el mejoramiento genético; tal es el caso de la androesterilidad citoplásmica que reside en la mitocondria²⁷.