Desarrollo y aplicación de técnicas biotecnológicas para la caracterización, selección y mejoramiento genético de la caña de azúcar en Guatemala

Abstract

[EN] The main objective of this work focuses on the use of biotechnology to develop new varieties of sugarcane for increasing productivity as well as the genetic variability that is narrow in this crop. With this purpose we have evaluated the genetic diversity in a population of 204 varieties (putative use as parental), using three molecular markers (CV29, CV37 and CV38) which showed an average polymorphic information content (PIC) of 0.37 indicating that they were able to identify polymorphisms in the population. After calculating the genetic similarity between the varieties and based on it, they were organized into 20 groups. Moreover, the Bru1 marker associated with resistance of a fungal disease known as brown rust was used to analyze 303 varieties (including the 204 previously used). We obtained amplification in 77. The comparison with phenotypic data recorded during four years at two locations confirmed that these 77 varieties were resistant. However, those that did not amplify showed resistance and susceptibility (in 7%), indicating the putative presence of different alleles of resistance. With the above information we design and conduct 22 cross whose offspring F1 were evaluated for four consecutive years recording with the average of each family to features like Brix (%), plant height, stem diameter, number of stems per meter and incidence of major diseases. From 22 crosses, 18 families showed brix equal or higher than CP72-2086 (the control variety), indicating that could overcome their sugar yield as a result of higher sugar content in their stems, although did not exceed in mass of cane. Several varieties with high Brix and tolerance to different diseases have been selected. Another important problem in sugarcane is the propagation of materials from plants that were pathogen infected but do not manifest disease symptoms. In this work the DBIA (Dot Blot Immunoassay) methodology and the PCR was used for detect Xantomonas albilineans; RT-PCR was used for detect SCYLV (Sugar Cane Yellow Leaf Virus). We performed a Radom screening to evaluate the incidence of both pathogens confirming their presence in plants symptomless. Sequencing X. albilineans isolates we found that in Guatemala a minimum of two strains are present. We have compared termoterapy in combination or not with meristem culture for plant sanitation. Whereas meristem culture was more appropriated for rescue plants free of X. albilineans, thermotherapy is sufficient for obtaining virus (SCYLV) free plant. The achievement of pathogen free plants let us to use in vitro culture techniques for conservation and micropropagation. Sanitated plants are maintained in vitro at a temperature of 18ºC. We evaluated several factors that may influence the adventitious regeneration from leaf explants (that may increase multiplication). These factors included genotype, explant position, combinations of growth regulators in the induction medium and auxin type for rooting. A great influence of genotype was manifested as well as the position of the explant and the concentration and type of some growth regulators were also influencing both the percentages of induction and subsequent development of the plants. In the best combination 32 plants per explant were regenerated. The protocols developed in this work are of interest to increase multiplication rates of sanitized materials and are a good base to use them in the future sugarcane improvement through genetic transformation.

[ES] El objetivo principal de este trabajo se centra en el aprovechamiento de técnicas biotecnológicas para el desarrollo de nuevas variedades de caña de azúcar en Guatemala que contribuyan a aumentar la productividad incrementando la variabilidad genética que no es elevada en este cultivo. Para ello se ha evaluado la diversidad genética en una población de 204 variedades de uso potencial como parentales, utilizando tres marcadores moleculares, CV29, CV37 y CV38 que mostraron un contenido de información polimórfica (PIC) medio de 0,37 lo cual indica que fueron capaces de identificar polimorfismos en la población. Tras calcular la similitud genética entre las variedades y en base a ella, se organizaron en 20 grupos. Por otra parte se utilizó el marcador Bru1 asociado a la resistencia de una enfermedad de origen fúngico conocida como Roya Marrón para analizar 303 variedades (incluidas las 204 anteriores), 77 de las cuales amplificaron el marcador. La comparación con datos fenotípicos registrados durante 4 años en dos localidades confirmó que estas 77 variedades eran resistentes. Sin embargo, de las variedades que no amplificaron el alelo de resistencia, solo un 7 % se mostraron susceptibles, lo que indica la posible presencia en estas variedades de otro alelo de resistencia distinto. Con la información anterior se diseñaron y realizaron 22 cruzas cuyas descendencias F1 fueron evaluadas durante dos años consecutivos registrando el promedio de cada familia para características como brix (%), altura de planta, diámetro de tallo, número de tallos por metro e incidencia de las principales enfermedades. Se obtuvieron 18 familias con brix igual o superior a la variedad control CP72-2086, lo que indica que podrían superar su rendimiento de azúcar como consecuencia del mayor contenido de azúcar en sus tallos, aunque no la superen en rendimiento de caña. De estos ensayos se han seleccionado cruzas en las que se ha obtenido tolerancia para distintas enfermedades y un buen brix (%) superior a la variedad control. En este trabajo también se ha comparado la metodología DBIA (Dot Blot Immunoassay) y PCR para diagnosticar la presencia de Xantomonas albilineans y la amplificación de cDNA del RNA vírico para determinar la presencia del virus de la hoja amarilla (SCYLV). Se ha llevado a cabo un muestreo aleatorio para detectar la incidencia de estos patógenos detectando plantas infectadas que no mostraban ninguna sintomatología y, tras la secuenciación de muestras de X. albilineans, se ha confirmado la presencia en Guatemala de al menos dos variantes. También se ha comparado distintos tratamientos térmicos combinados o no con cultivo de meristemos para el saneamiento de plantas infectadas siendo el cultivo de meristemos más adecuado para materiales infectados con la bacteria y la termoterapia suficiente para la obtención de plantas libres de SCYLV. Por último, la obtención de materiales saneados, nos condujo a plantear su conservación y micropropagación utilizando técnicas de cultivo in vitro. Las plantas saneadas y comprobadas como libres de virus se mantienen in vitro a una temperatura de 18oC. Se han evaluado también distintos factores que pueden influir en la regeneración adventicia a partir de explantes de hoja, entre ellos, el genotipo, posición del explante, combinaciones de reguladores de crecimiento en el medio de inducción y tipo de auxina para el enraizamiento de las plantas. Se ha visto un claro efecto del genotipo, de la posición del explante y de la concentración y tipo de algunos reguladores de crecimiento tanto en los porcentajes de inducción como en el posterior desarrollo de las plantas. Se han obtenido en las mejores combinaciones hasta 32 plantas por explante. Los protocolos desarrollados son de gran interés para incrementar las tasas de multiplicación del material saneado o utilizarlos en un futuro para la mejora biotecnológica de la caña mediante transformación genética.

[CA] L'objectiu principal d'aquest treball es centra a l'aprofitament d' la biotecnología per al desenvolupament de noves varietats de canya més productives i a l'hora amb més variabilitat genética que és escasa en aquest cultiu. En primer lloc, s'ha avaluat la diversitat genètica en una població de 204 varietats de potencial us com a parentals. S'han utilitzat tres marcadores moleculars, CV29, CV37 i CV38 que mostraren un contingut d'informació polimòrfica (PIC) de 0,37 en promedi, la cual cosa indica que es varen identificar polimorfismes a la población en estudi. Es va calcular la similitud genètica entre les varietats i en base a ella, s'obingueren 20 agrupaments. D'un altra banda va utilitzar-se el marcador Bru1 associat a la resistència d'una enfermetat d'origen fúngic coneguda com Roya Marró per a genotipar 303 varietats (que incloïen les 204 d'avans) i, en 77, es va amplificar el esmentat marcador. La comparació amb dades fenotípiques registrades durant 4 anys en dues localitats va confirmar que les 77 varietats eren resistents però no totes aquelles que en les que no s'havia observat amplificació eren susceptibles, de fet, tan sols un 7 % ho eren. Aquest resultat és indicatiu de la possible presencia d'un altre alel de resistència diferent a Bru1. Amb la informació obtesa es disenyaren i realitzaren 22 creuaments i les descendencies F1 es van analitzar en dues anualitats registrant dades relacionades amb el rendiment en sucre: brix (%), altura de planta, diàmetre de la tija, nombre de tiges per metre i l'incidencia de las principals enfermetats que afecten a aquest cultiu. S'obtingueren 18 families amb brix equivalent o superior a la varietat control CP72-2086, que podrien superar el rendiment en sucre, encara que no la superen en rendiment en canya. En aquest treball s'han sel.leccionat creuaments que han mostrat tolerancia a diferents enfermetats i un bon brix (%) superior a la varietat control. Un altre problema comú al cultiu de la canya és la propagació vegetativa a partir de plantes infectades amb patògens que s'hi troben en estat de latencia. En aquest treball s'ha comparat la DBIA (Dot Blot Immunoassay) i la PCR per a diagnosticar la presència de Xantomonas albilineans i s'ha utilitzat l'amplificació de cDNA del RNA víric per determinar la presencia del virus de la fulla groga (SCYLV). S'ha fet un anàlisi aleatori en diferents zones de cultiu per a determinar la incidencia d'aquestos patògens detectant-se plantes infectades que no mostraven síntomes. La sequenciació de mostres de X. albilineans, ha confirmat també la presència a Guatemala de al menys dues variants del bacteri. També s'han comparat diferents tractaments tèrmics en combinació o no de cultiu de meristems per obtenir plantes sanejades sent el cultiu de meristems més adecuat en el cas del bacteri i la termoterapia suficient per a la virosi. L'obtenció de materials sanejats ens va portar a plantejar la seua conservació en cultiu in vitro. Les plantes sanejades es mantenen a una temperatura de 18oC. També en aquest contexte, s'han avaluat diferents factors que poden influenciar amb la regeneració adventicia a partir de segments de fulla, entre ells: el genotip, la posició de l'explant a la planta, les combinacions de reguladors de creixement, i el tipus d'auxina per enrailar les plantes. S'ha vist un marcat efecte del genotip, de la posició de l'explant i de la contcentració d'alguns reguladors de creixement tant en els porcentajes d'inducció com en el posterior desenvolupament de les plantes. S' ha obtés en la millor combinació fins a 32 plantes per explant. Els protocols de regeneració adventicia que s'han desenvolupat són de gran interés per a incrementar la multiplicació del material sanejat aixi com per a utilitzarlos en un futur per a la millora biotecnològica de la canya mitjançant la transformació genètica.