Genética de la resistencia a roya del tallo (Puccinia graminis f. sp. avenae Erikss. & Henning) en tres genotipos de avena (Avena sativa L.)

Genetics of resistance to stem rust (Puccinia graminis f. sp. avenae Erikss. & Henning) in three genotypes of oat (Avena sativa L.)

L. Antonio Mariscal–Amaro^1*, Julio Huerta–Espino², H. Eduardo Villaseñor–Mir², S. Gerardo Leyva–Mir³, J. Sergio Sandoval–Islas¹, Ignacio Benítez–Riquelme¹

¹ Fitopatología. Campus Montecillo. Colegio de Postgraduados. 56230, Montecillo, Estado de México. *Autor responsable: (lmariscal@colpos.mx).

² Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, Campo Experimental Valle de México, Apartado Postal 10. 56230, Chapingo, Estado de México.

Recibido: Agosto, 2008.
Aprobado: Junio, 2009.

RESUMEN

Se determinó la genética de la resistencia en tres genotipos de avena resistentes (Karma, Avemex y Calandria) a roya del tallo, mediante el análisis de sus progenies derivadas de las cruzas con las variedades susceptibles Chihuahua y Ópalo. La segregación en las generaciones F₃, de la progenie de Karma, se ajustó a dos genes complementarios dominantes (1:8:7, para resistentes, segregantes y susceptibles). Para Avemex, la relación fenotípica parSa las mismas generaciones fue 1:2:1 indicando la presencia de un gen dominante. La progenie para Calandria segregó en la proporción fenotípica 3:1 de resistentes y susceptibles lo que indica que en este progenitor un gen dominante le confiere la resistencia.

Palabras clave: Avena sativa L., Puccinia graminis Pers. f. sp. avenae Erikss. y Henn., genes de resistencia.

ABSTRACT

Key words: Avena sativa L., Puccinia graminis Pers. F. sp. avenae Erikss. and Henn., resistance genes.

INTRODUCCIÓN

La avena (Avena sativa L.) es el sexto cereal más importante del mundo en producción de grano después del trigo (Triticum aestivum L.), maíz (Zea mays L.), arroz (Oryza sativa L.), cebada (Hordeum vulgare L.) y el sorgo (Sorghum bicolor (L.) Moench) (Leyva et al., 2004), con una producción anual de 26 millones t de avena de grano (Gold et al., 2005)– En México, en el 2006, se sembraron 799 056.46 ha para avena forrajera obteniéndose una producción de 11 074 254.79 t y un rendimiento promedio de 14.17 t ha^–1; para grano se sembraron 78 903.75 ha^–1, la producción fue 152 496.16 t y el rendimiento promedio 2 t ha ^–1 (SIAP, 2006). En el 2006, en los Valles Altos de México se sembraron 10 685 ha de avena para grano, con un rendimiento promedio de 1.95 t ha^–1, mientras que para forraje se sembraron 88 960.80 ha con un rendimiento promedio de 14.63 t ha^–1 (SIAP, 2006).

Las royas son las enfermedades más destructivas en avena y la pueden afectar desde la etapa de plántula hasta el llenado de grano (Leyva et al., 2004); en los Valles Altos de la Mesa Central Mexicana son un factor limitante para el cultivo de la avena (Villaseñor et al, 2001). La roya del tallo puede reducir el rendimiento hasta en 75 % y peso de grano hasta en 60 % (Epstein et al., 1988), mientras que la pérdida en la producción de materia seca en variedades susceptibles fluctúa de 32 a 42 % (Villaseñor et al, 2001). Leyva et al. (2004) reportaron que en las variedades Chihuahua y Juchitepec la enfermedad causó pérdidas de 755.2 y 713–9 kg ha^–1, esto es 36 y 35 % de la producción total.

En México no hay estudios en avena sobre la resistencia genética a esta enfermedad. En Canadá se estudió la resistencia de líneas y cultivares usados en programas de mejoramiento en México (Salmerón et al., 1996). La falta de estudios quizá se deba a la dificultad para hacer las cruzas en este cultivo y a la poca importancia que hasta hace pocos años se le dio tanto al cultivo de la avena como al patógeno causante de esta enfermedad. Adhikari et al. (1999) encontraron segregaciones en las poblaciones de plántulas que se esperan para dos genes recesivos complementarios, pero con una resistencia intermedia conferida por uno de los genes cuando es heterocigoto. Koo et al. (1955) observaron frecuencias en familias de avena de 1: 2: 1, indicando que la resistencia a la raza probada fue debida a un solo gen de resistencia. Según Martens et al. (1980 y 1981) hay una proporción 3:1 para un solo gen dominante confiriendo la resistencia y proporciones 15:1 (susceptibles y resistentes) que se esperan para dos genes recesivos complementarios confiriendo resistencia en planta adulta, frecuencias también observadas por Harder (1999).

No se conoce la genética de la resistencia en las variedades de avena Karma y Cevamex consideradas superiores en México por sus características agronómicas y resistencia a la roya del tallo. Por tanto, el objetivo del presente estudio fue determinar la herencia de la resistencia en plántula y planta adulta, a la severidad del año causado por la roya del tallo en las progenies F₃ de las cruzas entre las variedades de avena resistentes Karma, Avemex y Calandria, con las variedades susceptibles Chihuahua y Ópalo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Chihuahua. Esta variedad se derivó de una cruza entre AB–177 y Putman 61 por hibridación y selección genealógica, en el INI–FAP (Instituto Nacional de Investigación Forestal, Agrícola y Pecuaria) y fue registrada en 1967. Se considera susceptible a la roya del tallo (Puccinia graminis f. sp. avenae Erikss. & Henning), de la hoja (Puccinia coronata Cda. var. avenae Fraser and Led) y a la cenicilla (Erysiphe graminis D.C. f. sp. avenae Em. Marchal) (Jiménez, 1992). En México se siembran aproximadamente 250 000 ha, su producción para grano es 1.4 t ha^–1 y para forraje 130 pacas de 30 kg. Además es importante en las siembras comerciales; pero su susceptibilidad a roya del tallo causa muchas pérdidas al productor (datos no publicados).

Ópalo. Se obtuvo por introducción y selección genealógica y fue originada en la Universidad de Minnesota (EE.UU.) e INIFAP y se registró en 1964. Ahora se le considera susceptible a la roya del tallo y de la hoja, a la hoja roja (Septoria tritici Roberge in Desmaz.) y a la cenicilla (Jiménez, 1992). Se siembran aproximadamente 5 000 ha en las partes altas y lluviosas de Parres, D. F. y Río Frío, Estado de México. Su producción para grano es 2.5 t ha^–1, y su uso principal es para forraje (100 pacas de 30 kg). Es importante sólo para partes altas, frías y lluviosas en siembras tempranas y para producción de forraje verde (datos no publicados).

Karma. Para generar esta variedad se usaron las líneas 8232–CI–9291–CROSS y COLLI, en el Campo Experimental Valle de México del INIFAP (CEVAMEX – INIFAP) durante el ciclo primavera – verano 1989. Es considerada moderadamente resistente a la roya del tallo (20MR) y de la hoja (20MR) y resistente a enfermedades foliares (Villaseñor et al., 1998a). En México se siembran aproximadamente 100 000 ha^–1, su producción para grano (principal uso) es 2.7 ton ha^–1 y para forraje 230 pacas de 30 kg. Tiene una función importante en las siembras comerciales y por su mayor relación grano–paja su área de producción aumentará en los próximos años (datos no publicados).

Avemex. Para formar esta variedad se usaron 54 cruzas simples manejadas de F₂ a F₅ con el método masal gravimétrico, en el CEVAMEX – INIFAP durante el ciclo primavera – verano 1989. Es considerada moderadamente resistente a la roya del tallo (15MR) y de la hoja (20MR) y resistente a enfermedades foliares (Villaseñor et al, 1998b). En México se siembran aproximadamente 150 000 ha, su producción para grano es 2.2 t ha^–1 y para forraje 220 pacas de 30 kg. Es importante en las siembras comerciales y por su tipo de planta su área de producción aumentará en los próximos años (datos no publicados).

Calandria. Fue creada en el CEVAMEX – INIFAP en 1982. Por su efectividad en ensayos de rendimiento y por su resistencia presentada quedó como progenitor pero nunca fue liberada como variedad. Es moderadamente resistente a roya del tallo y es resistente a roya de la hoja, (P coronata), (datos no publicados).

Obtención de las generaciones F1, segregantes F₂ y familias de las generaciones F₃

Los progenitores se sembraron en la segunda semana de enero del 2006 en el vivero de cruzamientos del CEVAMEX – INIFAP, en abril se efectuaron las cruzas y a finales de mayo se obtuvo la semilla F₁ . De las semillas F₁ de dos espigas seleccionadas de cada cruza, se sembraron en campo 50 semillas en la primera semana de julio del 2006 en el CEVAMEX. De cada cruza, se cosecharon todas las plantas para obtener 150 semillas, las cuales dieron origen a la generación F₂ ; las semillas restantes de todas las cruzas se guardaron de reserva.

Las semillas F₂ se sembraron en el Campo Experimental Bajío – INIFAP a finales de noviembre del 2006 y se cosecharon 150 plantas al azar que originaron a 150 familias F₃ por cruza. (la semilla cosechada de cada planta originó a una familia). Las semillas de las familias F₃ de las cruzas Ópalo × Avemex y Ópalo × Calandria fue tomada de la reserva de planes de cruzas anteriores hechos en el programa de avena del CEVAMEX – INIFAP

Evaluación en planta adulta

Aislamiento del patógeno

El aislamiento del patógeno utilizado en el estudio se recolectó en Tepatitlán, Jalisco, en el verano de 1999, en la variedad Rarámuri y designado como PgaMex99.13. Se observó en plántula y planta adulta que este aislamiento es virulento en las variedades Chihuahua y Ópalo, pero avirulento en las variedades Karma, Avemex y Calandria. Este aislamiento se incrementó en la variedad Ópalo sembrada en estado de plántula en invernadero. Las urediniosporas se recolectaron con un recolector mecánico, se enfrascaron y mantuvieron a –55 °C en un congelador. Antes de utilizarse, las urediniosporas congeladas recibieron un shock térmico con agua a 60 °C por 7 min y luego se rehidrataron por 4 h en una cámara húmeda. El aislamiento PgaMex99.13 es una variante de la raza NA32 (Fetch Jr., y Jin, 2007) pero con virulencia a Pg15. Su fórmula de avirulencia/virulencia es Pga 1,8,15,a/2,3,4,9,13,16. Esta fórmula se determinó cuando se probó en invernadero este aislamiento en un grupo de plantas diferenciales provistas por el CEVAMEX (Mariscal, 2008⁴).

Manejo experimental e inoculaciones

En el CEVAMEX se sembraron 150 y 84 familias F₃ de las cruzas Chihuahua × Karma y Chihuahua × Avemex y 100 familias F₃ para Ópalo × Avemex y Ópalo × Calandria, en surcos dobles (1 m largo; 30 cm separación). En los bordos y entre las calles del experimento se sembraron puños de semillas de la variedad susceptible Chihuahua, la cual actuó como fuente de inoculo y dispersante.

Se indujo una epifitia artificial 22 d después de la siembra al inocular urediniosporas frescas (tratadas mediante el shock térmico y rehidratación) del aislamiento ya mencionado (concentración 1×10⁶ esporas mLr^–1 aceite mineral) en las plantas de los bordos y de las calles. Todas las familias fueron inoculadas 15 d después, se inocularon de nuevo 12 d después y la última inoculación, para asegurar el establecimiento de la enfermedad, se hizo 7 d después.

Toma de datos

En campo se hizo 29 d después de la última inoculación, cuando el progenitor susceptible presentó 70 a 80 % de infección en el tallo. Las familias de cada cruza, se clasificaron de acuerdo a una escala arbitraria: 1) familias resistentes: familias homocigóticas con una infección en el tallo similar a la del progenitor resistente (0–5 % de infección); 2) familias segregantes: familias heterocigóticas que incluyen: a) plantas con una infección en tallo semejante a la del progenitor resistente (0–5 % de infección), b) plantas con infecciones intermedias, y c) plantas con tanta infección en tallo como la del progenitor susceptible (hasta 100 % infección); 3) familias susceptibles: familias homocigóticas con una infección en tallo similar a la del progenitor susceptible (hasta 100 % infección).

Evaluación en plántula

La evaluación de las cruzas en estado de plántula se hizo en el ciclo Otoño–invierno del 2007 en los invernaderos del Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT), en El Batán, Texcoco, Edo. de México.

La semilla de las cuatro cruzas usadas en la investigación fue tomada de la reserva de la F₃.

En charolas de plástico perforadas (20×30×5 cm) se agregó una mezcla de tierra preparada y peat moss (60 y 40 %) y se marcaron 10 surcos donde se pusieron aproximadamente 20 semillas de cada familia. Para las cruzas Chihuahua x Karma, Chihuahua × Avemex, Ópalo × Avemex y Ópalo × Calandria se sembraron 100, 84, 100 y 100 familias. Se agregó tierra para tapar las semillas y se dio un riego ligero. En una charola aparte se sembraron los progenitores con el mismo esquema. Las charolas se mantuvieron en un invernadero, entre 20 y 25 °C, por aproximadamente 10 d.

Cuando la primera hoja estuvo completamente desplegada, 10 dds, se inocularon las familias con una suspensión de urediniosporas en aceite mineral Soltro^®, del aislamiento PgaMex99.13 a una concentración de 1×10⁶ mL^–1. Las charolas con las plántulas secas se pusieron en cámara de rocío por 9 h de rocío y 3 h de luz; luego se mantuvieron en invernadero a 20 °C durante la noche y 23 °C durante el día.

Toma de datos

Cuando los progenitores susceptibles tuvieron infección de 4 en la escala del 0–4 (Figura 1), 15 d después de la inoculación, empezó la evaluación de las familias clasificándolas en resistentes, segregantes y susceptibles. Se usó la escala de Roelfs et al. (1992), de roya del tallo en trigo (0–4). Los tipos de infección 0, 1, 2 y X se clasificaron como resistentes; 3 y 4 como susceptibles. Las familias con plántulas resistentes y susceptibles fueron las familias segregantes.

Análisis de datos y pruebas estadísticas

Las frecuencias esperadas de las familias F₃ en planta adulta y plántula es el supuesto de que la resistencia es condicionada por uno o dos genes mayores y se usan las frecuencias de las familias homocigóticas susceptibles para determinar el número de genes de resistencia, basándose en la proporción 1:2:1 (Resistentes: Segregantes: Susceptibles) para un gen dominante y 1:8:7 para dos genes complementarios (Gardner et al., 1998). Se hicieron pruebas X² con las frecuencias observadas y esperadas. El valor de tablas y la significancia fue determinado de acuerdo a la X² que obtuvieron las proporciones. Para el valor de tablas se tomaron 2 y 1 grado de libertad (n–1), donde n es el número de grupos de clasificación de familias F₃ (Infante y Zarate de Lara, 1990).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el Cuadro 2 se muestra la severidad del aislamiento PgaMEX99.13 en planta adulta de cada progenitor. La reacción en plántula se observa en la Figura 1. En campo, Chihuahua y Ópalo alcanzaron hasta 100 % de severidad en el tallo y los resistentes un porcentaje menor a 5 %. Las reacciones de resistencia y susceptibilidad han sido descritas por Jiménez (1992) y Villaseñor et al. (1998a y b).

Las frecuencias observadas (Cuadro 3) en las familias en plántula de la cruza Chihuahua × Karma de 5: 51: 44, resistentes: segregantes: susceptibles, se ajustaron a la relación fenotípica 1:8:7 (P= 0.90–0.50) indicando que Karma posee dos genes complementarios de resistencia. En planta adulta, las frecuencias observadas 10:70:70 también se ajustaron a la misma relación fenotípica (P= 0.90–0.50) corroborando que Karma posee dos genes complementarios de resistencia.

Harder (1999) observó la presencia de dos genes complementarios en plántulas obteniendo frecuencias 15:1, resistentes y susceptibles, en progenies F₂ de cruzas de A. sativa con el gen Pg10 y otros progenitores con otros genes Pg. La evidencia de dos genes complementarios en el progenitor resistente de la cruza R. L. 524.1 × Eagle fue reportada por Welsh et al. (1961) en 110 líneas F₃ inoculadas con 9 razas de roya del tallo y se ajustaron a la frecuencia 7: 8: 1, resistentes: segregantes: susceptibles (P=0.20–0.30), indicando la presencia de dos genes mayores aunque con acción génica recesiva. Al evaluar familias F₃ de la cruza Culgoa × Swan, Adhikart et al. (1999) observaron que éstas se distribuyeron en una proporción de 1: 8: 7, resistentes: segregantes: susceptibles.

En el progenitor Avemex, las frecuencias observadas en plántula de la cruza Ópalo × Avemex, 27: 47: 26, resistentes: segregantes: susceptibles (Cuadro 4), se ajustaron a una proporción de 1:2:1 (P=0.90–0.50) para un gen dominante, por lo que Avemex posee un gen dominante de resistencia. En planta adulta en Chihuahua × Avemex y Ópalo × Avemex se obtuvieron frecuencias 19: 51: 14 y 14: 55: 31, resistentes: segregantes: susceptibles; ambas frecuencias se ajustaron a la relación 1:2:1 (P=0.50–0.10 y P=0.05–0.01), por lo que se confirma que el progenitor resistente posee un gen de resistencia.

La relación fenotípica 1:2: 1 ha sido evaluada en estudios de genética de la resistencia a roya del tallo en avena. En 156 líneas F₃ de la cruza LMHJA (resistente) × Clinton (susceptible a la raza 7) las frecuencias fueron 1: 2: 1, resistentes: segregantes; susceptibles, es decir, la resistencia fue por un solo gen para esta raza (Koo et al., 1955). Esta misma relación se observó en familias F de la cruza Culgoa × Swan (Adhikari et al., 1999), así como en 100 líneas F₃ de la cruza Jostrain x Eagle, inoculadas con cinco razas de roya del tallo, donde la relación fue 1: 2: 1 para cada raza; es decir, un mismo gen confirió resistencia a todas ellas (Welsh et al., 1961). Chong et al. (1994) evaluaron la resistencia dada por el gen Pg13 en familias F₃ de la cruza OT328/'Dumont' contra la raza NA25, y la distribución de 34: 74: 29, resistentes, segregantes y susceptibles, se ajustó a la relación 1: 2: 1 (P=0.50–0.30) para un gen de resistencia.

En la cruza Ópalo × Calandria, para la evaluación de familias F₃ en plántula y planta adulta, a las familias resistentes se le sumaron las segregantes ya que fue imposible distinguir dichas familias por el tipo de infección (Cuadro 5). Las frecuencias observadas para plántula, 57+19=76: 24 (resistentes + segregantes: susceptibles), y planta adulta, 69: 31, se ajustaron a la relación fenotípica 3: 1 con una P=0.90–0.50 y P=0.50–0.10. Por tanto, Calandria posee un gen dominante para resistencia.

CONCLUSIONES

En los tres genotipos estudiados, la genética de la resistencia a la roya del tallo es de herencia simple y está condicionada por uno a dos genes. El tipo de acción génica en todas las cruzas fue dominante. La resistencia en la variedad Karma fue determinada por dos genes complementarios y en la variedad Avemex y en el progenitor Calandria se debió a un gen dominante.

La resistencia en plántula fue eficaz hasta planta adulta ya que las frecuencias observadas se ajustaron a la misma relación fenotípica en ambas etapas. Además, la resistencia en este patosistema tiene características comunes a las de otros patosistemas royas – cereales, como en el caso trigo – roya de la hoja, donde la resistencia está dada en su mayoría por uno o dos genes teniendo una acción génica principalmente dominante.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por el INIFAP – CEVAMEX dentro del proyecto fiscal "Mejoramiento genético y liberación de variedades de avena para la producción de forraje y grano en México".

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Nota

⁴ Mariscal, A.L.A., Información personal, lmariscal@colpos.mx.