Caracterización morfológica y fenológica de especies silvestres de frijol (Phaseolus)

Morphological and phenological characterization of wild bean (Phaseolus) species

Karen Elizabeth Meza-Vázquez, Rogelio Lépiz-Ildefonso*, José de J. López-Alcocer y Moisés Martín Morales-Rivera

Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Guadalajara. Km. 15.5, Carr. Guadalajara-Nogales, Las Agujas. Zapopan, Jalisco, México. Tel. (33) 3682-0918. *Autor para correspondencia: rlepiz@cucba.udg.mx

Recibido: 1 de Abril del 2014
Aceptado: 19 de Septiembre del 2014.

RESUMEN

Con el objetivo de generar información útil para el incremento y conservación de accesiones de frijol silvestre, se realizó la caracterización morfológica y fenológica de 12 especies silvestres de Phaseolus. Las especies de procedencia tropical y subtropical se sembraron en invernadero y las oriundas de sitios templados en campo bajo estructura de malla sombra. En la caracterización se utilizaron los descriptores varietales de frijol común (Phaseolus vulgaris L.) del Servicio Nacional de Inspección y Certificación de Semillas de México; y para las etapas de desarrollo se usó la escala establecida por el Centro Internacional de Agricultura Tropical de Colombia. Se utilizó una parcela de un surco de 4 m de longitud por especie y se registraron 39 variables de tipo cualitativo y cuantitativo. El valor de las variables cuantitativas es el promedio de 10 registros. Se observó gran variabilidad morfológica y fenológica entre las especies. La longitud de hoja primaria varió de 1.4 a 5.4 cm y del foliolo central de 3.1 a 8.5 cm; la longitud de vaina de 1.2 a 6.3 cm, el número de vainas por planta de 21 a 314, y la longitud de semilla de 3.0 a 7.9 mm; el tamaño del polen varió de 41.7 a 55.4 µm. Seis de las doce especies mostraron cotiledones epigeos, seis tuvieron hipocotilo de color rosado, ocho formaron flores de color lila y ocho fueron de raíz tuberosa indicativa de ciclo plurianual. En las primeras etapas de desarrollo fenológico, las especies silvestres presentaron un comportamiento similar; en cambio en la fase reproductiva mostraron diferencias notables. Las especies de frijol se agruparon en dos conjuntos principales relacionados con el tamaño de la planta y ciclo biológico; la mayor similitud se presentó entre P. vulgaris y P. acutifolius, P. microcarpus y P. macvaughii, y P. nodosus y P. scrobiculatifolius. La información obtenida puede apoyar acciones para incrementos de semilla, conservación, uso eficiente y mejoramiento genético.

Palabras clave: Phaseolus, descriptores, etapas de desarrollo, variabilidad.

ABSTRACT

In order to generate useful information for the increase and conservation of accessions of wild bean, a morphological and phenological characterization of 12 species of the genus Phaseolus was performed. The species of tropical and subtropical origin were grown in a greenhouse and the native tempered or temperate cold sites were grown under a mesh shade. In the characterization the common bean varietal descriptors of the Inspection and Certification of Seed Service from México as well as the scale of growth stages established for the International Center for Tropical Agriculture from Colombia. A plot of a single row of 4 m in length per species was used and 39 order qualitative and quantitative variables were recorded. The value of quantitative, is the average of 10 records. Great morphological and phenological variability between species were observed. The length of primary leaves ranged from 1.4 to 5.4 cm and leaflet of 3.1 to 8.5 cm; the length of pod 1.2 to 6.3 cm, the number of pods per plant of 21 to 314, and seed 3.0 to 7.9 mm length; pollen size varied from 41.7 to 55.48 µm. Six of the 12 species showed cotyledons epigeal, six pink hypocotyl, eight purple flowers and eight of the 12 taxa perennial cycle. In early stages of development the species showed similar response, whereas in the reproductive phase, the species showed notable differences in the days to reach a stage and its duration. Bean species were grouped into two main sets related to the size of the plant and biological cycle; the biggest similarity arose between P. vulgaris and P. acutifolius, P. microcarpus and P. macvaughii, and P. nodosus and P. scrobiculatifolius. The information obtained can support actions for increases in seed, conservation, efficient use and genetic improvement.

INTRODUCCIÓN

En la clasificación e identificación de especies, razas y variedades vegetales, los rasgos morfológicos desempeñan un papel importante; así mismo, son elementos básicos para conocer y medir la variabilidad genética dentro de una población. Aunque cada especie de frijol (Phaseolus spp.) muestra características morfológicas exclusivas que la identifican, también exhiben similitudes en algunos rasgos. Los cotiledones después de la emergencia de la planta, pueden ser epigeos como en Phaseolus vulgaris L., P. acutifolius var. acutifolius A. Gray. y P. lunatus L., e hipogeos en P. coccineus L., P. leptostachyus Benth. y P. rotundatus Freytag & Debouck (Freytag y Debouck, 2002).

Los foliolos angostos de forma lanceolada en P. parvifolius Freytag y P. acutifolius var. tenuifolius A. Gray, o cordiformes en P. vulgaris L., P. coccineus L. y P. albescens Mc Vaugh ex R. Ramirez & A. Delgado (Ramírez-Delgadillo y Delgado-Salinas, 1999; Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010; Lépiz et al., 2010). Las inflorescencias pueden ser pequeñas como en P. acutifolius var. acutifolius, P. parvifolius Freytag y P. microcarpus Mart, Auswahl. Merkw., o inflorescencias grandes en P. rotundatus, P. maculatus subsp. ritensis, y P. coccineus L. (Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010; Vargas-Vázquez et al., 2011).

Flores pequeñas en P. lunatus L., P. macvaughii Delgado y P. parvifolius Greene, o flores grandes en P. albescens, P. coccineus, y P. rotundatus (Ramírez-Delgadillo y Delgado-Salinas, 1999; Delgado-Salinas, 2000; Lépiz y Ramírez, 2010). Los tallos varían de delgados y con poca capacidad para trepar en P. acutifolius var. acutifolius, P. macvaughii y P. microcarpus, a tallos gruesos con gran capacidad para crecer como en P. lunatus, P. rotundatus y P. albescens (Delgado-Salinas, 2000; Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010).

Unas especies poseen vainas pequeñas y con pocas semillas como en P. microcarpus, P. micranthus Hook. & Arn. y P. leptostachyus Benth, o tener vainas y semillas grandes como en P. albescens, P. maculatus subsp. ritensis y P. lunatus L. (Ramírez-Delgadillo y Delgado-Salinas, 1999; Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010). Pueden ser de ciclo anual como P. vulgaris, P. parvifolius y P. acutifolius var. acutifolius, o perennes como en P. coccineus, P. rotundatus, P. jaliscanus Piper, (Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010).

Algunas especies poseen características muy particulares, como P. microcarpus con vainas de una sola semilla, P. leptostachyus de hábito determinado, P. maculatus subsp. maculatus de hábito rastrero, y P. micranthus que emite raíces en los tallos en contacto con el suelo que simulan estolones (Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010).

Los cambios morfológicos y fisiológicos que ocurren durante el ciclo biológico de una planta, sirven de base para definir fases o etapas de desarrollo. El referirse a una etapa de desarrollo para efectuar una práctica agronómica o para aplicar un tratamiento al cultivo, es más adecuado que referirse a los días transcurridos después de la siembra (Fehr et al., 1971; Fernández et al., 1991; Meier et al., 2009).

En frijol, el ciclo biológico se ha dividido en dos fases principales sucesivas: fase vegetativa y fase reproductiva. La fase vegetativa inicia con la germinación de la semilla y termina con la aparición de los primeros botones florales, y se divide en cinco etapas: germinación (V0), emergencia (V1), hojas primarias (V2), primera hoja trifoliada (V3) y tercera hoja trifoliada (V4). La fase reproductiva da inicio con la aparición de los botones florales, hasta la madurez fisiológica de la semilla y consta de cinco etapas: prefloración (R5), floración (R6), formación de vainas (R7), llenado de vainas (R8) y madurez fisiológica (R9) (Fernández et al., 1991). Esta escala es similar a la utilizada en soya (Glycine max) (Fehr et al., 1971) y al sistema de codificación BBCH (Bundesanstalt, Bundessortenamt, Chemical) propuesto para casi todas las especies cultivadas, donde se adicionan etapas secundarias dentro de cada estadio principal, para describir con mayor precisión etapas cortas (Meier et al., 2009). En las plantas de hábito indeterminado, como es el caso de las formas silvestres de Phaseolus, existen traslapes entre la forma vegetativa y la reproductiva.

El grano de polen, o gametofito masculino, difiere en tamaño, forma y ornamentación entre las especies de plantas superiores. Estas diferencias son útiles para la taxonomía vegetal, porque contribuyen a esclarecer algunos problemas de clasificación. La tribu Phaseoleae se caracteriza por tener un grano de polen triporado, tricolpado y tricolporado. (Ventura y Huamán, 2008). El polen de Phaseolus tiene ornamentación reticulada, frustillada y heterobrocada, con lúmenes que contienen microverrugas, verrugas y báculas; la forma de los granos es desde oblada esferoidal a prolado esferoidal (Chávez-Barrantes et al., 2009).

La presente investigación tuvo como objetivo describir la morfología y etapas de desarrollo fenológico de 12 especies silvestres de Phaseolus originarias del occidente de México y determinar su capacidad de producción de semilla con fines de conservación y utilización.

MATERIALES Y MÉTODOS

Sitio experimental

La caracterización morfológica y fenológica se llevó a cabo en el ciclo agrícola de verano-otoño de 2012 en el municipio de Zapopan, Jalisco. El sitio presenta un clima semicálido subhúmedo con lluvias en verano (Medina et al., 1998) a una altitud de 1580 m y una precipitación pluvial media anual de 979 mm (Ruiz-Corral et al., 2003).

Germoplasma

Se incluyeron 12 especies silvestres del género Phaseolus (Cuadro 1). Se utilizó semilla colectada por personal del proyecto de exploración y colección de la Universidad de Guadalajara, auspiciado por el Sistema Nacional de Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y la Agricultura (SINAREFI).

Manejo agronómico

Cada accesión se sembró en un surco de 4 m de largo con 100 cm de separación entre surcos y una distribución en serie sencilla sin repeticiones; dado el hábito trepador de las especies silvestres de frijol, se instalaron espalderas con postes metálicos tipo T de potrero, alambre quemado torcido estirado de poste a poste en la parte superior e hilo de rafia para amarrar cada planta de su base al alambre; se dieron los cuidados agronómicos necesarios para lograr un buen desarrollo.

Caracterización

La caracterización se basó en la guía de descriptores para frijol común del Servicio Nacional de Inspección y Certificación de Semillas (SNICS, 2005). Los valores de los rasgos cuantitativos corresponden al promedio de 10 observaciones por variable y accesión. Con los datos de vainas por planta, granos por vaina y peso de 100 semillas, se estimó la variable rendimiento de grano por planta. El registro de las etapas de desarrollo se efectuó con base en la metodología descrita por Fernández et al. (1991), que consta de 10 etapas fenológicas, donde las primeras cinco corresponden a la fase vegetativa (V) y las siguientes cinco, a la fase reproductiva (R).

Para medir las variables relacionadas con el grano de polen se tomaron anteras de botones florales, se hicieron cortes y con apoyo del microscopio estereoscópico (modelo Leica S6 D® de fabricación alemana) se extrajeron los granos de polen con agujas de disección. Los granos se colocaron en portaobjetos, a los que se agregó aceto orceina a 1 % (González et al., 1995) y se observaron con un microscopio modelo Axiostar® de fabricación alemana. Las fotografías se tomaron con una cámara modelo Axiocam Zeiss® de fabricación alemana a través del objetivo 40X, y se midió el polen con el programa Axiovision Rel 4.8 Carl Zeiss.

Análisis de datos

Para establecer las relaciones entre las 12 especies silvestres de Phaseolus estudiadas, se utilizó un análisis de agrupamiento y componentes principales (CP) con el método promedio de grupo usando 12 variables cuantitativas, a través del programa NTSYS® 2.0 (Rohlf, 2000). Como medida de similitud se utilizó el coeficiente de correlación calculado después de estandarizar las variables con media cero y varianza 1. Los resultados del análisis de CP se presentan en una gráfica "biplot" y los de agrupamiento se muestran en un dendrograma tal como lo describen Rawlings (1988) y Sánchez (1995).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se observó gran variación morfológica entre las especies silvestres de Phaseolus, tanto en variables cuantitativas (Cuadro 2) como cualitativas (Cuadro 3). Quince de las 39 características registradas exhibieron mayor variación morfológica, entre las que sobresalen las que a continuación se describen.

El número de días a floración mostró una amplitud de 43 d; se inició a los 48 d en P. microcarpus y a los 91 d en P. scrobiculatifolius. Las flores en la mayoría de especies fueron de color lila, pero rojas en P. coccineus y blancas en P. macvaughii, P. microcarpus y P. lunatus (Cuadro 3; Figura 1). Este resultado difiere en P. microcarpus y P. lunatus al descrito por Freytag y Debouck (2002) y Lépiz y Ramírez (2010), debido a que dentro de estas especies existen diferencias en el color de flor.

El tamaño de la flor fue de 0.5 cm en P. macvaughii y de 1.8 cm en P. coccineus. Las dimensiones del foliolo central presentaron variación en longitud de 3.1 cm (P. macvaughii) a 8.5 cm (P. maculatus), y en anchura de 0.5 cm (P. parvifolius) a 6 cm (P. coccineus y P. maculatus). En general, estos resultados coinciden con lo reportado por Freytag y Debouck (2002) en su revisión taxonómica de especies de frijol en Estados Unidos de América, México y América Central.

El tamaño del polen varió de 41.7 µm (P acutifolius var. acutifolius) a 55.48 µm (P leptostachyus), donde se observó su ornamentación reticulada y forma triporada (Cuadro 2; Figura 2). Las dimensiones y forma de polen concuerdan con lo asentado por Muñoz (2009), quien menciona que se clasifica como de tamaño medio de 40 µm y presentan morfología isopolar, radiosimétrico y triporado, con poros anulados.

La longitud de vainas presentó una amplia variación (Cuadro 2; Figura 2), de 1.2 cm (P. microcarpus) a 6.3 cm (P. acutifolius), resultado que concuerda con lo descrito por Lépiz y Ramírez (2010). El número de vainas por planta registró amplias diferencias, varió de 21 (P. maculatus y P. parvifolius) a 314 (P. rotundatus). El color de la semilla en general es de fondo crema y su color secundario gris en forma de jaspes (Figura 3). La semilla mostró una longitud de 3 mm (P. leptostachyus) a 7.9 mm (P. maculatus), resultado que concuerda con lo descrito con Freytag y Debouck (2002). El peso de 100 semillas varió de 1.0 g en P. leptostachyus a 11.2 g en P. nodosus. El peso de la semilla de P. nodosus es mayor al descrito por Lépiz y Ramírez (2010), lo que pudo ser ocasionado por las condiciones ambientales favorables del sitio de cultivo, diferentes a las registradas en el sitio de origen de esta accesión (Nevado de Colima).

Las formas silvestres de frijol presentaron dos tipos de ciclo biológico; anual y perenne. En el grupo de especies anuales se encuentra P. vulgaris, P. microcarpus, P. parvifolius, P. acutifolius var acutifolius y P. macvauhgii; en los perennes: P. nodosus, P. coccineus, P. leptostachyus, P. scrobiculatifolius, P. rotundatus, P. maculatus y P. lunatus. Los resultados coinciden con lo reportado por Ramírez-Delgadillo y Delgado-Salinas (1999), Delgado-Salinas (2000), Freytag y Debouck (2002) y Lépiz y Ramírez (2010).

En producción de semilla en gramos por planta, variable de interés en la regeneración de germoplasma, de manera general las especies anuales registraron los menores valores, en relación a los taxa perennes. En anuales el rango fue de 1.3 g en P. macvaughii (semilla pequeña) a 21.2 g en P. acutifolius, y en las especies perennes varió entre 1.2 g en P. leptostachyus (poco desarrollo y semilla pequeña) y 74.5 g en P. lunatus. Las diferencias en producción, además de responder a un componente genético, mostraron un efecto del sitio donde se realizó la caracterización: P. macvaughii de poca producción, es oriundo del área tropical costera de Colima, Jalisco y Nayarit; y P. lunatus de alta producción, está bien adaptado a regiones semicálidas como las del sitio de caracterización (López et al., 2005; Lépiz y Ramírez, 2010).

El análisis de componentes principales mostró que los primeros cuatro explicaron 88.7 % de la variación total (Cuadro 4). El Componente 1 con 37.1 % de la variación, estuvo definido principalmente por las variables días a floración, duración del período de floración, días a madurez fisiológica, número de vainas por planta y rendimiento estimado de grano; es decir, se correlacionó positivamente con variables de orden fenológico y de rendimiento. El Componente 2 representó el 23.2 % de la variación y se integró con longitud de hojas primarias, longitud de vainas, número de semillas por vaina y tamaño de flor (cm).

La Figura 4, que muestra el grado de asociación entre las variables y las unidades taxonómicas, revela que las especies perennes tardías P. lunatus, P. nodosus, P. rotundatus y P. scrobiculatifolius se ubican en el lado positivo del CP 1 por tener los mayores valores de días a floración (3), duración de periodo de floración (4), días a madurez fisiológica (7), número de vainas por planta (9), peso de 100 semillas (11) y rendimiento de grano (12). Un caso particular lo integraron las variables ancho de hoja primaria (2), tamaño de flor (6) y longitud de vaina (8), asociadas en alto grado con P. coccineus. Las unidades taxonómicas P. leptostachyus, P. macvaughii y P. parvifolius, ubicadas en el lado negativo del CP 1 mostraron poca asociación entre sí y con otras especies.

En el análisis de conglomerados hecho con el coeficiente de correlación (Figura 5), se definieron dos grandes grupos; en el Grupo 1 predominaron las especies perennes de mayor ciclo biológico (P. nodosus, P. scrobiculatifolius, P. rotundatus y P. lunatus), en tanto que en el Grupo 2 predominaron las especies anuales de menor ciclo (P. vulgaris, P. acutifolius y P. parvifolius). En este análisis destaca la gran similitud entre P. vulgaris y P. acutifolius que pertenecen a dos secciones taxonómicas diferentes (Freytag y Debouck, 2002) pero son muy similares en hojas, flores, vainas y ciclo biológico (Lépiz y Ramírez, 2010). También mostraron similitud P. microcarpus y P. macvaughii; y P. nodosus y P. scrobiculatifolius.

La Figura 6 muestra que las dos etapas de desarrollo de mayor duración se registraron entre la tercera hoja trifoliada (V4) y la prefloración (R5) y entre llenado de vaina (R8) y madurez fisiológica (R9). Con disponibilidad de humedad y ausencia de heladas las especies perennes siguen floreciendo y produciendo frutos, aún después de que las primeras vainas alcanzan la madurez. En algunas especies perennes, como P. maculatus, P. coccineus y P. rotundatus, la floración de los tallos que rebrotan se inicia de manera temprana.

Los resultados confirman la considerable variabilidad entre especies, y de manera general concuerdan con lo consignado previamente en la literatura, en cuanto a longitud y ancho de hoja primaria y foliolo central, longitud y ancho de la vaina, número de semillas por vaina, tamaño de semilla, y días a la madurez (Gepts y Debouck 1991; Delgado-Salinas, 2000; Freytag y Debouck, 2002; Lépiz y Ramírez, 2010).

CONCLUSIONES

Las especies silvestres del género Phaseolus presentaron una amplia diversidad morfológica en 15 de las 39 variables registradas. La diversidad entre las especies se observó principalmente en las variables de forma y tamaño de hoja primaria y foliolo central, en longitud de vaina y número de semillas por vainas y en dimensiones de semilla.

Las especies silvestres presentaron un comportamiento similar en el número de días para alcanzar las primeras etapas de desarrollo, en tanto que en la fase reproductiva las diferencias fueron mayores. En general las especies anuales fueron de menor desarrollo y ciclo corto y las perennes de raíz tuberosa, mostraron mayores tamaños de planta y ciclo biológico.

Las especies silvestres de frijol se agruparon en dos conjuntos principales relacionados con el tamaño de la planta y ciclo biológico; la mayor similitud ocurrió entre P. vulgaris y P. acutifolius; P. microcarpus y P. macvaughii; y P. nodosus y P. scrobiculatifolius.

El conocimiento sobre las características y diversidad de las especies silvestres de Phaseolus puede apoyar acciones para su incremento y posterior conservación, uso eficiente y mejoramiento genético.

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