Material genético

Las cinco líneas y las 20 cruzas simples posibles evaluadas y analizadas forman parte de un programa de mejoramiento genético para condiciones de riego iniciado en la Universidad Autónoma Chapingo por el Dr. Moisés Mendoza Rodríguez^ϯ. Las cruzas dialélicas del Método I de Griffing fueron hechas en el Campo Agrícola Experimental del Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo con la semilla F₁ obtenida de las cruzas posibles y de las líneas (S₆-S₈); en 2014 se estableció una evaluación en campo para conocer el comportamiento agronómico y rendimiento de grano.

Diseño, unidad experimental y manejo del experimento

Se utilizó un diseño de bloques completos al azar con 4 repeticiones. Las unidades experimentales fueron de un surco de 5 m de longitud y 0.80 m de separación entre surcos; en el mismo sitio experimental y bajo el mismo sistema de cultivo se hicieron polinizaciones fraternales a la F₁, con las cuales se realizaron los análisis bioquímicos correspondientes. Durante el ciclo del cultivo las plantas se mantuvieron sin restricciones hídricas y con la fertilidad recomendada para el sitio experimental. A la cosecha se seleccionaron cinco mazorcas de polinización controlada (cruzas fraternales), sanas y sin daños mecánicos representativas de cada material genético para los análisis respectivos. El análisis de laboratorio se realizó bajo un diseño experimental completamente al azar, por triplicado, excepto para la determinación de aceite (dos repeticiones).

Análisis de la composición del grano

Las pruebas bioquímicas del grano se realizaron con una mezcla balanceada formada con el grano de la parte media de cinco mazorcas de cada genotipo, según la metodología propuesta por ^{Galicia et al. (2012)} para pruebas bioquímicas en maíz. El grano se pulverizó en un molino ciclónico (UDY Corporation®, Fort Dollins, Colorado, EUA) y la harina se tamizó a través de una malla metálica número 35 para obtener partículas con tamaño de 0.5 mm. El pesaje de las muestras, los reactivos y demás materiales se registró en una balanza analítica (A&D®, Modelo GR 202, San Jose, California, EUA).

Los análisis y métodos empleados fueron: para aceite 30-25.01 (^{AACC, 1999a}); proteína Kjeldahl: 46-11.02 (^{AACC, 1999b}); almidón (^{Brunt et al., 1998}) y 76-13.01 (^{AACC, 1999c}); cenizas 08-01.01 (^{AACC, 1999d}) y humedad con termobalanza (Ohaus® MB 45, Parsippany, Nueva Jersey, EUA).

Determinación de ácido fítico

El ácido fítico se determinó con el método descrito por ^{Dragičević et al. (2011)}. En frascos de 50 mL con tapa se colocaron 250 mg de muestra, se adicionaron 10 mL de ácido tricloroacético 5 % y se sometieron a agitación por 1 h. Posteriormente, se extrajeron 5 mL de solución y se colocaron en tubos Falcon de 15 mL para centrifugar (centrífuga Hermle® Z 326 K, Wehingen, Alemania) a 12,000 × g durante 15 min a 4 ºC. Se realizó una dilución 1:6 con agua desionizada. Para la determinación colorimétrica se tomaron 1.5 mL de la dilución y se añadieron 0.5 mL de reactivo de Wade (0.3 g de FeCl₃ 6H₂O + 3 g de ácido 5-sulfosalicílico), aforado a 1 L con agua desionizada, enseguida se centrifugó a 12,000 × g por 10 min a 4 ºC. La lectura de absorbancia se realizó a 500 nm en un espectrofotómetro UV/VIS (Thermo Scientific® Modelo Evolution 300, Waltham, Massachusetts, EUA). Los resultados se expresaron en g 100 g^-1 de materia seca (ms), a partir de una curva estándar (y = 0.0039x + 0.7277, R² = 0.970) preparada con ácido fítico (Sigma Aldrich®, USA).

Análisis estadístico

Para estimar la aptitud combinatoria general (ACG) y específica (ACE), los efectos maternos (EfMat) y los efectos recíprocos (EfRec) de los genotipos, se realizó el análisis genético basado en el diseño dialélico Método I (^{Griffing, 1956}) con el modelo de efectos fijos, así como pruebas de F propuestas por ^{Martínez (1983)} para el diseño correspondiente. El análisis estadístico se realizó con el programa SAS® versión 9.1 (^{SAS Institute, 2003}).

Análisis genético

En el Cuadro 1 se muestran los cuadrados medios del análisis de varianza. Se encontraron diferencias significativas entre genotipos para todas las variables estudiadas. Las diferencias estuvieron asociadas a la variación entre los genotipos, al tipo de acción génica presente, así como a la expresión de heterosis entre las cruzas (^{Esquivel et al., 2013}; ^{Guerrero-Guerrero et al., 2012}; ^{Sánchez-Ramírez et al., 2017}).

Al descomponer la fuente de variación de genotipos en su ACG y ACE, se encontraron diferencias significativas para los componentes estudiados. De acuerdo con los valores de la suma de cuadrados del análisis de varianza (datos no mostrados), la contribución a la varianza de las características bioquímicas del grano evaluadas, atribuible a los genotipos estuvo explicada por la ACE en 53 %, ACG en 12 %, EfRec en 20 % y EfMat en 15 %; esto indicó que los efectos genéticos de dominancia y epistasis (ACE) fueron de mayor importancia en la concentración de los compuestos bioquímicos estudiados, en comparación con los efectos aditivos (ACG).

En componentes bioquímicos determinados en el grano de maíz y analizados bajo el Método II dialélico, ^{Bisen et al. (2017)} encontraron también que los efectos no aditivos fueron de mayor importancia que los aditivos. Estos resultados contrastan con los reportados por ^{Picón-Rico et al. (2018)} en maíz, en donde los efectos aditivos fueron mayores para contenido de aceite en el grano. El contraste de resultados puede asociarse a dos posibles causas, la primera como resultado de las fases de selección previa al desarrollo de las líneas, que en el caso del presente estudio, primero se buscó agotar la varianza aditiva en las poblaciones de origen para posteriormente aprovechar la varianza no aditiva a través de las líneas, y la segunda, mencionada por ^{Mahgoub (2011)}, donde la no consideración de las cruzas recíprocas puede conducir a una estimación sesgada de los efectos genéticos, particularmente en características asociadas con los componentes del grano.

Los efectos maternos (EfMat) y recíprocos (EfRec) fueron altamente significativos para todas las características, excepto para almidón; es decir, los valores obtenidos en las cruzas directas (i, j) fueron diferentes a los obtenidos en las cruzas recíprocas (j, i). Lo anterior indica que, para la producción de semilla de alguna cruza en particular, referente al incremento o reducción en el contenido de alguno de estos compuestos, se debe considerar específicamente las líneas que fungirán como progenitor femenino o masculino.

Aptitud combinatoria general

Los valores de los efectos de ACG (g _i ) de las líneas se muestran en el Cuadro 2. En contenido de aceite, las líneas L2, L3 y L4 tuvieron valores positivos de ACG, aunque sólo en L2 fueron significativos; también fueron estas líneas las que mostraron los mayores valores per se para este compuesto [L4 (5.58 g 100 g^-1 de ms), L3 (5.17 g 100 g^-1 de ms) y L2 (5.10 g 100 g^-1 de ms)].

Los valores de ACG fueron relativamente bajos para todas las variables de estudio. Al respecto, ^{Sánchez-Ramírez et al. (2017)} asociaron este comportamiento con el método utilizado en la selección de las líneas altamente endogámicas (mediante prueba per se y no con pruebas previas de ACG). Bajo este supuesto, las líneas se clasificaron con efectos positivos o de ACG alta (L3, L4, L2) o con efectos negativos o de ACG baja (L5 y L1).

Para el contenido de proteína y de cenizas, las líneas L3 y L4 mostraron efectos positivos y significativos de ACG, con valores de 0.34 y 0.33 para proteína y de 0.07 y 0.08 para cenizas, respectivamente. En contenido de proteína, ninguna de las dos líneas figuró como la de contenido mayor per se entre todos los progenitores, con valores de 8.08 y 8.39 g 100 g^-1 de ms, respectivamente; no así para cenizas, donde L4 y L3 tuvieron el mayor contenido entre todas las líneas (2.22 y 2.18 g 100 g^-1 de ms). Los resultados indican que las líneas poseen una porción considerable de genes de efectos aditivos que se expresan favorablemente en el grano, lo que permitiría incrementar su contenido a través de esquemas de selección recurrente.

La línea L5 mostró efectos negativos para cuatro de las cinco variables evaluadas, lo que podría repercutir en que los cruzamientos que involucren a esta línea, podrían expresar poco potencial de incremento en el contenido de compuestos bioquímicos; no obstante, si lo que se desea es contar con líneas de maíz que reduzcan la concentración de ácido fítico en el grano para consumo humano, debido a la incapacidad de los organismos monogástricos para asimilar este compuesto (^{Raboy et al., 2001}), esta línea, junto con L3, podrían representar fuentes valiosas por su valor negativo y significativo de ACG.

En general, las líneas L3 y L2 mostraron buena respuesta para cuatro de los cinco componentes nutrimentales, por lo que se esperaría que las cruzas que involucren a estos progenitores presentaran valores altos de ACE y de los compuestos bioquímicos estudiados. Se encontró que el contenido de cenizas y de aceite estuvieron directamente asociados con el efecto g _i ; por ejemplo, la línea L4 tuvo la mayor cantidad de aceite (5.58 g 100 g^-1 de ms) y de cenizas (2.22 g 100 g^-1 de ms), con valor alto de ACG (0.08, por igual), mientras que la línea L1 tuvo el menor contenido de aceite (3.44 g 100 g^-1 de ms) y bajo efecto de ACG (-0.07).

Aptitud combinatoria específica

Los efectos de ACE para los compuestos bioquímicos de las cruzas posibles se muestran en el Cuadro 3. Las cruzas que expresaron los contenidos superiores de aceite, proteína, cenizas, almidón y ácido fítico fueron diferentes entre sí. En aceite no se encontraron diferencias estadísticas significativas entre las 10 cruzas de mayor contenido, cuyo intervalo de variación fluctuó entre 6.83 y 5.66 g 100 g^-1 de ms.

En las cruzas de contenido mayor de aceite estuvieron involucrados los progenitores L2, L3 y L4, que fungieron como hembras o como machos, con altos efectos de ACG y s _ij positivos (excepto L4 × L3, con un valor de -0.01). La cruza L5 × L1 formada por los progenitores L5 y L1, de baja ACG, resultó ser la de mayor contenido de aceite (6.83 g 100 g^-1 de ms), debido quizá a su valor alto y positivo de s _ij , como señalan ^{Escorcia-Gutiérrez et al. (2010)}. Las cruzas con bajo contenido de aceite no necesariamente involucraron progenitores con baja ACG o presentaron efectos negativos de ACE (L5 × L4 y L3 × L1).

Para proteína no se encontraron diferencias estadísticas significativas entre las 12 cruzas de mayor contenido, cuyo intervalo de variación osciló entre 7.21 y 8.95 g 100 g^-1 de ms. Destacaron tres progenitores que intervinieron en las cruzas de mayor contenido de proteína (L2, L3 y L4) que participaron como machos o hembras. Los máximos valores de proteína (8.95 y 8.87 g 100 g^-1 de ms) no necesariamente se relacionaron con s _ij altos (-0.11 y -0.43), aun cuando se originaron de progenitores con alta ACG (L3 × L4 y L2 × L4). Las cruzas de más bajo contenido (L4 × L2, L4 × L1 y L5 × L1) presentaron valores bajos de s _ij (-0.43, -0.38 y -1.67, respectivamente). ^{Picón-Rico et al. (2018)} reportaron resultados similares y no encontraron consistencia entre valores altos de ACG de los progenitores con valores altos de ACE de sus cruzas.

Algunos estudios señalan que una cruza simple tendrá altos rendimientos de grano si sus dos líneas progenitoras, o al menos una de ellas son de alta ACG y el efecto ACE de la cruza es alto (^{Escorcia-Gutiérrez et al., 2010}); también, en los casos donde las cruzas de rendimiento alto estén formadas con líneas de ACG baja, pero con efectos de ACE positivos y altos (^{Ávila et al., 2009}; ^{Guerrero-Guerrero et al., 2012}; ^{Sánchez-Ramírez et al., 2017}). En este estudio las líneas con alta ACG no necesariamente produjeron las mejores combinaciones híbridas para los caracteres evaluados, debido a que generalmente, como lo mencionaron ^{Picón-Rico et al. (2018)}, el comportamiento específico de las cruzas no puede ser predicho totalmente con base en los estimadores de ACG de sus parentales; además, el efecto genético extranuclear puede estar incidiendo en las características.

Resultados similares fueron reportados por ^{Cervantes-Ortiz et al. (2007)} en trabajos realizados sobre algunas características de plántula y de planta adulta de maíz, donde líneas con alta ACG no precisamente produjeron buenas combinaciones híbridas para los caracteres evaluados. Por su parte, ^{Long et al. (2004)}, en estudios sobre biofortificación mineral (hierro y zinc) en grano de maíz, no encontraron relaciones favorables de los efectos positivos o negativos de ACE, independientemente de si los híbridos se formaron a partir de la combinación de progenitores con ACG alta × alta, alta × baja o baja × baja.

Aunque en contenido de proteína (Cuadro 3) se presentaron valores superiores al promedio general (Cuadro 5), ello no implica que estas cruzas sean maíces de alta calidad de proteína (QPM), puesto que se desconoce la proporción y tipo de aminoácidos presentes. En poblaciones QPMs de México se han reportado contenidos de proteína entre 9 y 11.5 g 100 g^-1 de ms, y contenidos de lisina y triptofano del orden de 3.5 a 4.8 y 0.87 a 1.18 g 100 g^-1 de proteína, respectivamente (^{Vázquez et al., 2012}).

Debido a que ésta fue una exploración preliminar de las características bioquímicas de grano, no se abordó el estudio puntual de los aminoácidos; aunque existe el interés de conocer la composición detallada de la proteína de estos genotipos para diseñar de mejor manera un programa de mejoramiento genético, por lo que deberá diseñarse un estudio específico para tal fin.

Con respecto al contenido de almidón; en general, las cruzas con mayor contenido presentaron valores altos de s _ij . Entre las cuatro cruzas con mayor contenido de almidón estuvo la línea L5, como progenitor macho o hembra. Las dos cruzas superiores en almidón fueron L5 × L2 y L5 × L4, con 90.87 y 88.78 g 100 g^-1 de ms; también resultaron ser las de mayor efecto de ACE, con 4.56 y 4.40, respectivamente. El valor más bajo de s _ij lo presentaron las cruzas L5 × L1 y L2 × L3 y sus cruzas recíprocas, con -0.20 y -2.71.

Para contenido de cenizas no hubo diferencias estadísticas significativas entre las nueve cruzas de más alta concentración, cuyo intervalo de variación fluctuó entre 1.85 y 1.58 g 100 g^-1 de ms. No se encontró relación entre los valores altos de ACE con las cruzas superiores; sin embargo, las cruzas de contenido menor sí mostraron valores bajos de s _ij . La cruza L5 × L1, con el contenido mayor de minerales en el grano (1.85 g 100 g^-1 de ms) estuvo formada por dos líneas de baja ACG para esta variable, pero fue la cruza de más alto efecto de s _ij , con un valor de 0.32. El efecto y contenido de cenizas más bajo lo presentó la cruza L5 × L3, con -0.54 y 0.70 g 100 g^-1 de ms. En comparación con valores de cenizas reportados en la literatura (0.81 g 100 g^-1 de ms, ^{Qamar et al., 2016}; 1.80 g 100 g^-1 de ms, ^{Cázares-Sánchez et al., 2015}), algunos genotipos analizados en el presente estudio pueden considerarse como de alto contenido mineral.

Para ácido fítico se encontraron diferencias estadísticas significativas a partir del segundo genotipo de mayor contenido de este compuesto bioquímico. La línea L1 participó en las cinco cruzas de mayor contenido como hembra o como macho, con valores positivos de s _ij , por lo que es probable que las cruzas que involucren a este progenitor puedan mostrar incrementos sustantivos en el contenido de ácido fítico en el grano. Lo anterior puede ser importante en el área de ganadería, ya que, si los piensos se suplementan con fitasa, con el uso de estas cruzas de alta producción de ácido fítico se podría aumentar la biodisponibilidad de fósforo en los animales, además de que se reduciría la contaminación por fósforo en las áreas con unidades ganaderas bajo manejo intensivo (^{Vats y Banerjee, 2004}). Contrariamente, las cruzas L5 × L4 y L5 × L3 tuvieron los contenidos menores de ácido fítico con 1.45 y 1.21 g 100 g^-1 de ms y valores negativos de ACE (-0.35 y -0.25, respectivamente), lo que resulta favorable para el consumo humano y de otras especies monogástricas que están imposibilitadas para metabolizar eficientemente este compuesto (^{Raboy et al., 2001}).

Con los resultados del presente estudio se logró establecer que la expresión del mayor contenido de cada variable no estuvo necesariamente asociada con valores altos de s _ij , sobre todo en las variables contenido de proteína y de minerales.

Efectos maternos

Los efectos maternos de los progenitores se presentan en el Cuadro 4, donde se observa que los valores positivos en contenido de aceite de las líneas L4 y L5 indican que tales progenitores expresan su mayor potencial para producir aceite en sus cruzas directas; es decir, cuando estas líneas se usan exclusivamente como progenitor femenino. Las líneas L1, L2 y L3 tuvieron valores negativos, por lo que se espera que se comporten de forma contraria a esta situación. La línea L2 resultó un buen progenitor femenino, pues demostró efectos positivos para proteína (0.35), almidón (0.11), cenizas (0.07) y con efecto materno negativo para la producción de ácido fítico (-0.13), lo que indica que empleada como hembra, su progenie mostrará detrimento en esta característica, pero con altos valores en las otras variables.

Estructura genética

Para este análisis se consideraron los cinco cruzamientos de mayor y los dos de menor contenido de cada uno de los compuestos bioquímicos evaluados (Cuadro 5). Con base en los valores de los efectos genéticos, la estructura genética de los compuestos en los cruzamientos no presentó tendencias claras.

De acuerdo con los valores genotípicos para el contenido de aceite, las cruzas sobresalientes podrían ser empleadas como híbridos, ya que los efectos de g _i + g _j < s _ij ; es decir, que los efectos aditivos fueron menores que los no aditivos; entonces, se esperaría que estas cruzas mostraran cambios aleatorios en generaciones posteriores (F_n). Para proteína, las tres cruzas más rendidoras mostraron efectos g _i + g _j > s _ij , por lo que estas combinaciones genéticas posiblemente no presenten depresión endogámica significativa en sus generaciones avanzadas, pudiendo utilizarse como variedades de polinización libre o formar con ellas una variedad sintética. Las cruzas L4 × L5 y L5 × L4 mostraron valores g _i + g _j < s _ij , por lo que también podrían ser aprovechadas como híbridos.

En general, para contenido de almidón, los efectos no aditivos fueron de mayor importancia que los aditivos; por lo tanto, las líneas en estudio podrían usarse para la formación de híbridos productores de almidones. Para contenido de cenizas se presentó variación en cuanto al efecto predominante en las cruzas L5 × L1, L1 × L2 y L2 × L5, pues mostraron efectos g _i + g _j < s _ij , mientras que L1 × L3 y L2 × L4 tuvieron efectos g _i + g _j > s _ij , por lo que, en un programa de mejoramiento para incrementar esta variable, algunos genotipos tendrían que ser manejados por hibridación y otros por selección para la formación de variedades.