Translate PaperArtículo originalEstudios
de acción génica y heredabilidad del porcentaje de fructificación en
tomate, cultivar Nagcarlang. en condiciones de estrés térmico
[0000-0001-7062-1361] Marilyn Florido-Bacallao [1] [*]
[0000-0002-6963-842X] Regla M. Lara-Rodríguez [1]
[0000-0002-1172-8828] Dagmara Plana-Ramos [1]
[0000-0001-5683-3296] Marta Amalia Álvarez-Gil [1]
[*] Autor para correspondencia: mflorido@inca.edu.cu
RESUMENEl pobre cuajado
de los frutos inducidos por altas temperaturas es la principal causa de
pérdidas en los rendimientos en regiones tropicales y subtropicales. Es
por ello que se desarrolló el presente trabajo con el objetivo de
conocer la acción génica y la heredabilidad del porcentaje de
fructificación en Nagcarlang, cultivar de reconocida tolerancia al
calor. Para ello se evaluó el porcentaje de fructificación en los
períodos óptimo y primavera-verano de las poblaciones F1, F2 y los
retrocruces con cada parental del cruce entre Nagcarlang y la línea
AN-104-1, susceptible al calor. Se pudo comprobar que los genes que
controlan la variación del porcentaje de fructificación son dominantes
hacia los valores del progenitor Nagcarlang y que el modelo de
aditividad-dominancia no es adecuado para explicar la herencia de este
carácter, lo que confirmó la posible existencia de interacciones
epistáticas. Por su parte los valores de heredabilidad en sentido
estrecho obtenidos fueron bajos lo cual indica que se necesita un alto
grado de homocigosis para predecir el progreso por selección en
cruzamientos de tomate con vistas a obtener cultivares tolerantes a este
estrés abiótico, de manera tal, que la selección será efectiva si se
realiza en generaciones más avanzadas.
INTRODUCCIÓNLas
altas temperaturas son uno de los principales estreses abióticos que
afectan la reproducción en el cultivo del tomate y, por lo tanto, el
cuajado de los frutos, lo que causa pérdidas económicas considerables en
el cultivo 1-5. La mayoría de los genotipos comerciales de tomate (Solanum lycopersicum
L.) son susceptibles a altas temperaturas, por lo que pequeños
incrementos por encima de la temperatura óptima de crecimiento
conducirá, en consecuencia, a una disminución de la producción de frutos
1,4.
Este efecto se agrava si las elevaciones de temperaturas coinciden con
períodos lluviosos, incrementándose la incidencia de plagas,
fundamentalmente, cuando la explotación del cultivo se realiza a cielo
abierto 6-9.
Diversos
estudios señalan que la genética de la tolerancia al calor es difícil,
siendo los genes recesivos los responsables de esta tolerancia,
gobernados por múltiples genes, afectados por las condiciones
ambientales y tienen una baja heredabilidad 5,10,11. Se ha informado que los genes aditivos y no aditivos gobiernan la tolerancia al calor 12,13.
Al respecto, diversos autores señalan que uno de los indicadores más
importantes de la tolerancia al calor en el tomate, a nivel de planta,
es la capacidad de fructificación o cuajado de los frutos en ambientes
estresantes, de manera que aquellos cultivares con mayor capacidad para
la fructificación bajo altas temperaturas y humedad, resultan las más
adecuadas para la producción del tomate en los trópicos 5,10,11,14,15.
El
análisis de heredabilidad es importante para determinar el método
apropiado de mejora genética. Es por ello que se realizó el presente
trabajo con el objetivo de evaluar la acción génica y heredabilidad del
porcentaje de fructificación en condiciones óptimas y de primavera
verano para la tolerancia al calor en el cultivar de tomate Nagcarlag.
MATERIALES Y MÉTODOSMaterial vegetal utilizadoPara la presente investigación se utilizaron cruzamientos entre el cultivar Nagcarlang (P1),
de reconocida tolerancia al calor por sus altos porcentajes de
fructificación y su respuesta fisiológica a este estrés y la línea
susceptible AN-104-1 (P2) para obtener el híbrido F1. Estos se utilizaron en la obtención de las generaciones segregantes. La población F2 se obtuvo por autofecundación de la F1, mientras que la primera generación de retrocruces con cada parental (RC1P1 y RC1P2) se obtuvieron por cruzamientos entre la F1
y los progenitores Nagcarlang y AN-104-1, respectivamente. Todos los
cruzamientos fueron efectuados en condiciones controladas en casas de
cultivo protegido. Las seis generaciones, incluyendo ambos parentales,
las poblaciones F1 y F2 y los retrocruces con ambos parentales se utilizaron en este estudio.
Condiciones experimentalesLa
investigación se desarrolló en el área central del Instituto Nacional
de Ciencias Agrícolas (INCA), situado en el km 3 ½ de la carretera San
José a Tapaste, municipio de San José de las Lajas, provincia Mayabeque y
ubicado a los 23°00’ de latitud norte y 82°12’ de longitud oeste y 138 m
s.n.m.
Estas seis poblaciones se sembraron en cepellones de 196 alveolos de 30 cm3
de capacidad, que contenían una mezcla de cachaza: zeolita y suelo
Ferralítico Rojo Compactado en proporción 1:2:1. Posteriormente las
plántulas (25 plántulas de ambos progenitores y de la F1, 50 plántulas de cada retrocruce y 130 plántulas de la población F2)
se trasplantaron a canteros de asbesto cemento al aire libre cubiertos
con tela zarán, que contenían una mezcla de suelo Ferralítico Rojo
compactado (Ferralsol éutrico) según la Nueva Clasificación Genética de
los Suelos 16 y cachaza en proporción 3:1,
de acuerdo a un Diseño Completamente Aleatorizado. Se utilizó una
distancia de plantación de 0,90 x 0,25 m. La siembra en el período
primavera-verano se realizó el 17 de abril de 2012, mientras que la
correspondiente al periodo óptimo se efectuó el 15 de octubre de 2013.
El
comportamiento de las variables climáticas de temperatura máxima, media
y mínima, así como de la humedad relativa y las precipitaciones que
incidieron durante el desarrollo del experimento se tomaron de la
Estación Meteorológica de Tapaste y se muestran en la Tabla 1.
Las atenciones culturales en todos los casos se efectuaron según el
Instructivo Técnico para Organopónicos y Huertos Intensivos establecido
para el tomate 17.
El porcentaje de frutos cuajados en los
racimos 2-6 del tallo principal se determinó en cada planta. Este
indicador fue determinado como el número total de frutos dividido por el
número total de flores en los racimos 2-6 del tallo principal 18.
Se estimó el valor medio de los padres m junto con los efectos del gen aditivo [d] y dominancia [h]. La idoneidad de dicho modelo de dominancia aditiva mdh
se probó mediante la prueba c2. Si los datos no se ajustaban
adecuadamente a la modelo de tres componentes, luego modelo que incluye
aditivo x aditivo [i], aditivo x dominancia [j] y dominancia x dominancia [l] se calcularon los términos de interacciones epistáticas digénicas: mdhi, mdhj, mdhl, mdhij y mdhil. No queda ningún grado de libertad en el modelo mdhijl
de seis parámetros y, por lo tanto, no se calculó. Finalmente, se
eligió el modelo de mejor ajuste como aquél en el que las medias
esperadas se desviaban menos de las medias observadas de las
generaciones como lo indica una mayor probabilidad asociada con la
prueba c2 correspondiente. La importancia de las estimaciones de los
parámetros genéticos individuales se probó mediante la prueba t y el
valor t se encontró dividiendo cada estimación de parámetro por su
respectivo error estándar.
Se estimó la
heredabilidad en sentido ancho y estrecho. La heredabilidad en sentido
ancho se calculó como la relación entre la varianza genética y la
varianza fenotípica total, según la fórmula propuesta por Allard 19,
mientras la heredabilidad en sentido estrecho se evaluó como la
relación entre la varianza aditiva y la varianza total, de acuerdo a lo
descrito por Warner 20. Estas determinaciones se realizaron de las siguientes formas:
H2= Vg/(Vg+Ve) siendo Vg = [VF2 - Ve]
h2= ((2VF2)-(VBC1-VBC2))/VF2
donde:
H2: heredabilidad en sentido ancho
h2: heredabilidad en sentido estrecho
Vg: la varianza genética
Ve: la varianza ambiental, estimada por el promedio de la varianza fenotípica de los dos parentales y la F1
VF2: varianza fenotípica de la población F2
VBC1: varianza fenotípica del retrocruce con el parental 1 (Nagcarlang)
VBC2: varianza fenotípica del retrocruce con el parental 2 (AN-104-1)
RESULTADOS Y DISCUSIÓNLos valores de la media y varianza de las familias derivadas del cruce Nagcarlang x AN-104-1, se muestran en la Tabla 2.
Según los resultados obtenidos, las medias de los progenitores
Nagcarlang y AN-104-1 presentaron porcentajes de fructificación de 99,43
% y 75,27 % en el período óptimo y 100 % y 47,16 %, en condiciones de
primavera verano, siendo los valores del híbrido F1 similar al del progenitor tolerante en ambos períodos de siembra.
En esta Tabla 2 se puede apreciar que el valor del porcentaje de fructificación del híbrido F1
excede la media parental, indicando que el o los genes que controlan la
variación del porcentaje de fructificación son dominantes hacia los
valores del progenitor Nagcarlang. Esta diferencia es más marcada en el
período de primavera-verano, según lo informado por Mather y Jinks 18.
Es
de destacar que la existencia de un comportamiento contrastante entre
los dos progenitores es un requisito esencial para realizar este
análisis, según el cual es necesario que en la población F2
se muestre todo el rango de variación existente en el carácter, a
diferencia de otros métodos genético-estadísticos a partir de
cruzamientos, en los cuales el análisis se realiza generalmente sólo a
nivel de la F1 de un grupo de cruzamientos.
Para
que este carácter sea de utilidad en la selección para la tolerancia al
calor en accesiones e híbridos de tomate es necesario profundizar en el
tipo de acción génica que gobierna el mismo. Según los resultados de
este trabajo, el modelo aditivo-dominante no se adecuó en la explicación
de la variabilidad genética para el porcentaje de fructificación pues
la prueba de X2 mostró diferencias significativas en ambos períodos (Tabla 3).
Al no encontrarse buen ajuste en el modelo mdh
se probaron los diferentes modelos que incluyen las interacciones
epistáticas en ambos períodos, comprobándose que el modelo más adecuado
para explicar los efectos génicos para el porcentaje de fructificación
fue mdhi. Según este modelo, fueron importantes los efectos
génicos aditivo [d], dominante [h], aditivo x aditivo [i], los que
presentaron valores diferentes de cero (Tabla 4). El
efecto de dominancia fue el que predominó, pues presentó un valor
modular mayor, aunque, como se puede apreciar, una parte importante de
la variación es heredable, ya que el componente aditivo presentó un alto
valor. Estos resultados fueron similares 15-24.
El porcentaje de fructificación en el período óptimo presentó mejor ajuste en el modelo mdhi según el cual son importantes los efectos aditivos (d), dominante (h) y aditivo x aditivo (i) (Tabla 4).
Como se puede apreciar los valores de la media parental fueron
inferiores en el período primavera-verano. Este período fue mejor
explicado por el modelo mdhl, donde los efectos génicos aditivo,
dominante, así como el de las interacciones epistáticas dominante x
dominante fueron altamente significativos (Tabla 3).
Este modelo explicó la existencia de un efecto de sobredominancia, ya
que los valores de [l] y [h] presentaron signos opuestos y fueron
mayores que cero, mostrándose heterosis en este carácter, así como un
efecto aditivo importante según lo informado por 3,12,24. Similares resultados fueron encontrados para la fuente de tolerancia CL5915 10.
En
ambos casos, se encontraron altos valores del componente aditivo, lo
que indica que la selección puede hacerse para este carácter. Sin
embargo, la presencia de efecto de dominancia alto, así como de las
interacciones epistáticas en dicho período, sugieren que una parte de la
variación genotípica es heredable y otra no como sugieren otros autores
3,5,15.
El porcentaje de fructificación puede ser efectivo en la selección de
líneas para la obtención de híbridos con tolerancia al calor y en los
programas para la obtención de nuevos cultivares. Para ello, la
selección debería realizarse en generaciones avanzadas, cuando las
líneas tengan un alto grado de homocigosis como sugieren estos autores.
Los valores de heredabilidad en sentido ancho y estrecho del porcentaje de fructificación se muestran en la Tabla 5.
Como se puede observar los valores de heredabilidad en sentido ancho
fueron intermedios (0,58-0,64), mientras que en sentido estrecho se
encontraron valores de heredabilidad inferiores, siendo estos menores en
el período de primavera-verano evaluado.
Los resultados de heredabilidad indican que
se necesita un alto grado de homocigosis para predecir el progreso por
selección en cruces de tomate, con vistas a obtener cultivares
tolerantes a este estrés abiótico, de manera tal, que la selección será
efectiva si se realiza en generaciones más avanzadas (>F5) como sugieren otros autores 10,11 al realizar estudios con otras fuentes de tolerancia al calor en el cultivo.
Estos
valores de heredabilidad en sentido ancho encontrados, indican que este
carácter tiene alta influencia ambiental, fundamentalmente en el
período de primavera-verano. En cuanto a la variabilidad génica, los
menores valores de la heredabilidad en sentido estrecho obtenidos se
corresponden con los resultados del estudio de la herencia en que se
detectó la presencia de efectos de dominancia y epistasis, aunque no
deja de ser apreciable la porción de la varianza fenotípica, que es
debida a la varianza aditiva (0,52) en el período óptimo y que podrá ser
explotada en los programas de mejoramiento de la especie.
Los
resultados de heredabilidad indican que se necesita un alto grado de
homocigosis para predecir el progreso por selección, mediante
cruzamientos en tomate con vistas a obtener variedades tolerantes a este
estrés abiótico, de manera tal, que la selección será efectiva si se
realiza en generaciones más avanzadas (>F5). Similares sugerencias fueron descritas 3,10.
Según bibliografía, el porcentaje de fructificación es uno de los
indicadores más utilizados para evaluar la tolerancia al calor en tomate
por su estrecha relación con el rendimiento del cultivo 4,5,21-23.
CONCLUSIONES
La herencia del porcentaje de fructificación se explicó por los modelos mdhi y mdhl,
en los períodos óptimos y de primavera-verano, respectivamente, según
los cuales son importantes los efectos génicos aditivos, dominantes y
epistáticos.
La heredabilidad, en
sentido ancho, para el porcentaje de fructificación fue intermedia, lo
cual indicó influencia ambiental en la variabilidad de este carácter. En
sentido estrecho, se presentaron valores inferiores a estos, con el
menor valor para el período primavera-verano, lo que se explica por la
presencia de efectos dominantes y epistáticos
INTRODUCTIONHigh
temperatures are one of the major abiotic stresses affecting that
affect reproduction in tomato crops in the tropical and subtropical
lowland and, therefore, fruit set, which causes considerable economic
losses in the crop 1-5. Most of the commercial cultivars of tomato (Solanum lycopersicum
L.) are susceptible to high temperatures, so small increases above the
optimal growth temperature will consequently lead to a decrease in fruit
production 1,4.
This effect is aggravated if the high temperature is combined with
excessive rainfall, increasing pest incidence, fundamentally, in open
field conditions 6-9.
Heat tolerance is a complex trait, and understanding the genetics of
heat tolerance is difficult, excessive genes are responsible for heat
tolerance; they are governed by multiple genes, affected by
environmental conditions and have low heritability 5,10,11. Additive and non-additive genes have been reported to govern heat tolerance 12,13.
Some authors suggested that fruit set is the most important parameter
to in the evaluation of different tomato cultivars under heat stress, in
such a way that those varieties showing greater fruiting capacity under
high temperature and humidity conditions are the most suitable for
tomato production in the tropics. Therefore, the availability of genetic
variation in fruit set under heat stress may help selection for heat
tolerance 5,10,11,14,15.
Heritability analysis is important to determine the appropriate method
of genetic improvement. Heat stress tolerance was found to have low
heritability 10,11.
The main objective of this study were to estimate gene action and
heritability of fruit set over optimal and spring-summer periods for
heat tolerance Nagcarlag tomato cultivar.
MATERIALS AND METHODSPlant material For the present study, crosses between `Nagcarlang´ (P1), heat tolerant cultivar and a heat sensitive inbred line AN-104-1 (P2) to produce the F1 hybrid. Nagcarlang and AN-104-1 to obtained the segregating generations. The F2 generation was obtained by self-pollinated of F1, while the first generation of backcrosses with each parent (RC1P1 and RC1P2) were obtained by crosses between F1
and the Nagcarlang and AN-104-1 parents, respectively. All the crosses
were under controlled conditions in protected cultivation houses made.
The six generations, including both parents, the F1 and F2 populations and the backcrosses with both parents were in this study used.
Experimental conditionsThe
research was developed at the central area of the National Institute of
Agricultural Sciences (INCA), placed at km 3 ½ of Carretera a Tapaste,
San José de las Lajas, Mayabeque. INCA is located at 23º00' north
latitude and 82º12' west longitude, 138 m a.s.l. The six populations
were sown in trays with 196 cells of 30 cm3 of capacity,
containing a mixture of sugarcane sludge: zeolite and Ferrallitic Red
Compacted soil in a proportion 1:2:1. Later, the seedlings 25 seedlings
from both parents and from F1, 50 seedlings of each backcross and 130 seedlings from F2
(population) were transplanted to gutters of asbestos-cement, covered
by saran mesh, in the outdoors. The gutters contained a mixture of
Ferralitic Red Compacted soil (eutric Ferralsol) according to the New
Soil´s Genetic Classification 16 and
sugarcane sludge in a proportion 3:1, following a Completely Randomized
Design. It was used a planting distance of 0.90 x 0.25 m. The planting
in the period spring-summer and the optimal period was carried out on
April 17th, 2012, and on October 15th, 2013, respectively.
In
Tapaste Weather Station were taken of the climatic variables behavior
of maximum and minimum temperature, as well as, relative humidity and
the rainfall, which influenced during the experiment development, which
are shown in Table 1. The cultural attentions in all
cases were carried out according to the Technical Instructions for
Organoponics and Intensive Vegetable Gardens established for tomato 17.
The percentage of fruit set on clusters
2-6 the main stem was determined on each plant. This indicator was
determined as the total number of fruits divided by the total flower
number on clusters 2-6 the main stem. The means of fruit set of the six
generation and their standard errors were used to estimate gene effects 18. The mid-parent value m together with additive [d] and dominance [h] gene effects were estimated. The adequacy of such mdh
additive-dominance model was tested by c2-test. If the data did not
adequately not adequately fit the three component model, then model
including additive x additive [i], additive x dominance [j], and dominance x dominance [l] terms of digenic epistatic interactions were then calculated: mdhi, mdhj, mdhl, mdhij, and mdhil. No degree of freedom is left in the six-parameter mdhijl
model and therefore it was not calculated. Finally, the best-fit model
was chosen as that in which expected means deviated least from the
observed means of the generations as indicated by a higher probability
associated with the corresponding c2-test. The significance of
individual genetic parameter estimates was tested by t test and the t
value was found by dividing each parameter estimate by its respective
SE.
Broad and narrow sense heritability was
estimated. Broad sense heritability was estimated as a ratio of genetic
variance to total phenotypic variance, according to Allard 19, while narrow sense heritability was evaluated as a ratio of the additive variance to total variance 20. These determinations were estimated using the following formulas:
H2= Vg/(Vg+Ve) being Vg =
h2= ((2VF2)-(VBC1-VBC2))/VF2
where:
H2: broad sense heritability.
h2: narrow sense heritability.
Vg: genetic variance
Ve: the environmental variance, estimated by the average of the phenotypic variance of the two parents and the F1.
VF2: Phenotypic variance of the F2 population.
VBC1: Phenotypic variance of the backcross with parent 1 (Nagcarlang).
VBC2: Phenotypic variance of the backcross with parent 2 (AN-104-1).
RESULTS AND DISCUSSION
Table 2 shows the estimate of generation means
for fruit set in the cross of Nagcarlang x AN-104-1 in Optimal and
Spring-Summer periods. According to the results fruit set, which is the
indicator of heat stress tolerance, was less in An-104-1 compared with
the heat tolerant parental Nagcarlang in both periods. (99.43 and 75.27 %
and 100 and 47.16 % in optimal and spring-summer period, respectively.
However, percentage of fruit set on were not significantly different of
midparent.
The mean percentage of fruit set of the F1 and
BCP1 exceeded the midparent and was not different from P1 (Nagcarlang)
indicating that gene(s) controlling percentage of fruit set variation
are dominant towards Nagcarlang parent values. This difference is most
marked in the spring-summer period 18. In addition, the variance for the segregating generation were greater that the variance estimates of the parental and F1 generation. In this population, the mean of BC1P1 was numerically similar to the means of F1 and P1 (Nagcarlang) in optimal period. However, it was different from P1 in summer-spring period. The mean of BC1P2 was statistically higher than the mean of P2 (AN-104-1) which also indicated the dominant nature of gene action.
Generation
means analysis with simple additive and dominance effects was not
adequate in explaining the inheritance of percentage of fruit set since
the X2 test showed significant differences in both periods (Table 3).
Therefore, epistatic components were necessary
to explain the observed generation means for the percentage of fruit
set on both periods. The best-fit models including these epistatic
components are given in Table 4. Mean components of
the generations for percentage of fruit set in optimal and summer-spring
period differed in that dominance effects were more important than
additive effects for optimal period while the opposite was observed for
summer-spring period. It should be noted that an important part of the
variation is heritable, since the additive component presented a high
value. These results were similar to those obtained before 15-24.
Regarding epistatic effects, the additive x
dominance interaction component was highly significant in optimal
period, which explained the great similarity in optimal period of BC1
generations to their respective recurrent parents. The best fitting
model for percentage of fruit set in optimal peridos was mdhl model, while the other period was a better fit to the mdhl
model. This last model explained the existence of an over dominance
effect, since the values of and presented opposite signs and were
greater than zero, showing heterosis in this character, as well as an
important additive effect as reported by 3,12,24. Similar results were found for the heat tolerance source CL5915 10.
In
both cases, high values of the additive component were found,
indicating that selection can be made for this trait. However, the
presence of high dominance effect, as well as epistatic interactions in
this period, suggest that part of the genotypic variation is heritable
and part is not, as suggested by other authors 3,5,15.
The selection for high temperature fruit set can be effective in the
selection of heat-tolerant lines in breeding programs if the selection
be based on in more advanced generations, when the lines are homozygous 3,5,15.
The wide and narrow heritability values of fruit set percentage are shown in Table 5.
The heritability values in the broad sense were intermediate
(0.58-0.64), while in the narrow sense lower heritability values were
found, being these lower in the spring-summer period evaluated.
The heritability results indicate that a high
degree of homozygosity is needed to predict progress by selection in
tomato crosses to obtain high temperature tolerant cultivars, so that
selection will be effective if it is done in more advanced generations
(>F5) as suggested by other authors using other sources of heat tolerance in the crop 10,11.
The
wide heritability values found indicate that the fruit set percentage
has a high environmental influence, mainly in the spring-summer period.
The lower values of narrow heritability obtained correspond to the
results of the heritability study in which the presence of dominance and
epistasis effects was detected, although the portion of phenotypic
variance due to additive variance (0.52) in the optimum period is still
appreciable and could be exploited in tomato breeding programs. The
heritability results indicate that a high degree of homozygosity is
needed to predict progress by selection through crosses to obtain heat
tolerant varieties, so that selection will be effective if carried out
in more advanced generations (>F5).
Similar results were obtained by 3,10.
Several authors report that percentage of fruit set is one of the most
used indicators to evaluate heat tolerance in tomato due to its relation
with crop yield 4,5,21-23.
CONCLUSIONS
The fruit set percentage inheritance was explained by mdhi and mdhl models, in the optimal and spring-summer periods, respectively, with additive, dominant and epistatic gene effects important.
The
heritability, in the broad sense, for the percentage of fruit set was
intermediate, indicating environmental influence for fruit set. In the
narrow sense, lower values lower values were obtained, being lower for
the spring-summer period, which is explained by the presence of dominant
and epistatic effects.