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La androesterilidad en cebolla (Allium cepa L.)

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Cristina Mallor Giménez y Ana Garcés-Claver 

(Dras. en Ingeniería Agrónoma e Investigadoras del Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón-CITA)

29/06/2015

HORTICULTURA

La cebolla es un cultivo muy extendido a nivel mundial, debido a que existe una amplia gama de

cultivares adaptados a las diferentes condiciones ambientales que influyen en su desarrollo. Se trata de una planta de ciclo bienal, que en respuesta a unas determinadas condiciones de fotoperiodo forma en el primer año los bulbos, resultado de la acumulación de carbohidratos y otros compuestos de reserva en la base de las hojas. En el segundo año las plantas emiten un escapo floral, después de un periodo de latencia del bulbo en respuesta a condiciones de juvenilidad y del medio ambiente, que termina en una inflorescencia en umbela con un número variable de flores (de 50 a 2.000).

La cebolla es una especie alógama, es decir, produce flores fértiles y se reproduce mediante polinización cruzada. Aunque este comportamiento es el predominante, no es sin embargo exclusivo, ya que las plantas son perfectamente capaces de autopolinizarse. Las anteras de las flores individuales maduran y liberan el polen de 24 a 36 horas antes de la receptividad del estigma, lo que se denomina protandria o

La androesterilidad en cebolla (Allium cepa L.)

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proterandria. Sin embargo, como la apertura de las diferentes flores se puede prolongar desde dos semanas hasta cuatro, es factible que el polen fecunde el estigma receptivo de una flor más desarrollada de la misma umbela o de las otras umbelas del mismo bulbo. Por lo tanto, la protandria supone sólo una barrera parcial frente a la autopolinización.

Híbridos en cebolla

Los cruzamientos entre poblaciones de cebolla ampliamente divergentes producen híbridos cuyo vigor excede el de los progenitores. Este efecto se denomina ‘vigor híbrido’ o ‘heterosis’. Esto es debido a que en los híbridos, la influencia de cualquier alelo homocigoto recesivo desfavorable de las líneas parentales puede estar enmascarado por alelos dominantes favorables del otro progenitor. Fijar genotipos que presenten este vigor híbrido en los cultivares híbridos F1 se ha convertido en la tendencia principal de la mejora de cebolla en los últimos años. Desde el punto de vista comercial, una ventaja adicional de los híbridos radica en el control que se ejerce por parte del mejorador o de la compañía de semillas, ya que éstos deben producirse necesariamente a partir de las líneas parentales.

La androesterilidad, es la incapacidad de producir polen fértil y se considera una herramienta muy útil para la obtención de híbridos en cebolla. En ausencia de androesterilidad, la polinización cruzada controlada sin autopolinización se consigue sólo eliminando trabajosamente a mano las anteras en maduración de una umbela antes de que desprendan el polen transfiriendo manualmente el polen deseado a los estigmas. Este procedimiento es demasiado laborioso para todo lo que no sean unos pocos cruces controlados en un trabajo experimental o de mejora.

Jones y Clarke en 1925 fueron los primeros en aprovechar la androesterilidad de la cebolla utilizando un genotipo androestéril del cv. Italian Red que encontraron en unos campos experimentales en Davis (California). Jones y Clarke (1943) describieron como utilizar el sistema de androesterilidad citoplasmática en cebolla para producir semilla híbrida a gran escala. Desde entonces, la obtención de variedades híbridas F1 ha sido una de las técnicas utilizadas para la mejora en este cultivo. Los híbridos fueron rápidamente adoptados por los agricultores, debido al incremento significativo en la producción comercial así como una mayor uniformidad para caracteres de interés agrícola en comparación con las variedades de polinización abierta (Dowker y Gordon, 1983; Evoor et al., 2007; Hosfield et al., 1977; Joshi y Tandon, 1976). Sin embargo, no siempre se manifiestan estas ventajas y hay trabajos que muestran un

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En España, la producción de cebolla se ha basado tradicionalmente en los tipos Babosa, Liria y Grano de Oro o Recas, todos ellos de polinización abierta. Sin embargo, en las últimas décadas, se inició la

introducción de cultivares híbridos, basados en un principio en variedades obtenidas en otros países como Estados Unidos, Holanda y Japón, incrementando de esta forma la oferta de variedades en el

mercado. En los últimos años, las casas comerciales de semillas están desarrollando cultivares adaptados a las latitudes y condiciones de España, y actualmente en los catálogos comerciales de semillas se puede encontrar una variada oferta de variedades híbridas de cebolla.

Androesterilidad en cebolla

Los factores inductores de la androesterilidad en cebolla, o esterilidad citoplasmática masculina (CMS), se encuentran en el genoma mitocondrial, por lo que se trata de un carácter que se transmite sólo de las madres a la descendencia. La CMS puede ser restaurada por la acción de genes nucleares ‘restauradores de la fertilidad’ (Rf).

En las plantas androestériles, el polen no se desarrolla y por ello son incapaces de autofecundarse. Así, cualquier semilla que se produzca en estas plantas deberá ser necesariamente el resultado de una

polinización cruzada. Las flores de plantas androestériles son al principio de apariencia similar a las flores fértiles, pero en ellas no tiene lugar la microsporogénesis y no se desarrollan los granos de polen. De esta manera, en vez de producirse una antesis normal, las anteras se marchitan, adoptando una coloración parda y una forma arrugada. De forma gradual, todas las anteras que aparecen de color amarillo-verdoso también se van marchitando (Figura 1).

Figura 1. Umbela con flores fértiles y umbela con flores androestériles.

En cebolla existen dos tipos de androesterilidad: la CMS-S (Jones y Emsweller, 1936) y CMS-T (Berninger, 1965), en función del control genético de la restauración de la fertilidad. Mientras que para CMS-S la restauración de la fertilidad es controlada por un único locus dominante, denominado Ms, para CMS-T pueden estar interviniendo al menos tres genes, un gen independiente y dos complementarios (Jones y Clarke, 1943; Schweisguth, 1973). El sistema CMS-S es el preferido por los mejoradores y empresas de semillas, ya que la herencia de un único locus es más sencilla y estable en diferentes condiciones climáticas (Havey, 2000).

Según el tipo de citoplasma (mitotipo), podemos encontrarnos con tres tipos de individuos: i) el mitotipo normal (N), siempre dará lugar a individuos con polen fértil; ii) el mitotipo de citoplasma S (sistema CMS-S), producirá junto con genotipos recesivos homocigóticos msms individuos androestériles; iii) y el mitotipo de citoplasma T (CMS-T), producirá individuos fértiles o androestériles según el estado alélico de los loci que controlen la androesterilidad de este sistema.

Por tanto, en la cebolla, como resultado de la interacción entre el factor citoplasmático y el gen nuclear MS podemos encontrar:

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a) Líneas androestériles (CMS): en las que el mitotipo podrá ser CMS-T o CMS-S. En el caso del sistema CMS-S, la forma del gen nuclear Ms determinará la producción de polen fértil. Cuando el gen sea dominante homocigoto (MsMs) o heterocigoto (Msms) se producirá polen fértil y cuando la forma alélica sea homocigota recesiva (msms) el polen no será fértil.

b) Líneas restauradoras de la fertilidad o mantenedoras (N msms): son fértiles con mitotipo N y gen nuclear recesivo homocigótico (msms). Estas líneas son las encargadas de perpetuar las líneas androestériles porque su hibridación con éstas producirán descendencias cuyo genotipo será CMS-S msms. Las plantas con esta constitución se dan con una frecuencia del 5% en la mayoría de las poblaciones (Pike, 1986).

Producción de híbridos utilizando la androesterilidad

Para la producción de híbridos se tienen que desarrollar, por un lado, líneas androestériles y

mantenedoras que estén bien adaptadas a la localidad donde se cultivará el híbrido, y por el otro una línea polinizadora con una buena aptitud combinatoria específica. Para que el híbrido se desarrolle adecuadamente, utilizando el sistema CMS-S, la línea que actuará como parental femenino deberá tener la constitución genética ‘CMS-Smsms’, con esto, se asegura que no se produzca la autofecundación. Estas líneas maternas se mantienen al cruzarlas con líneas mantenedoras. En cuanto a la línea que actuará como parental masculino, puede tener una constitución de citoplasma normal (N) con cualquier combinación (MsMs, Msms o msms) o con un citoplasma S y una combinación Msms o MsMs. Una representación esquemática de los genotipos asociados a la androesterilidad para la producción de híbridos se muestra en la Figura 2.

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Para la producción de las semillas híbridas es importante que las líneas fértiles y androestériles florezcan simultáneamente, de modo que exista una cantidad suficiente de polen del parental masculino fértil mientras que los estigmas de las plantas del parental femenino androestéril estén receptivos. Sin

embargo, esto no siempre sucede, y las diferentes líneas de un híbrido pueden no florecer a la vez cuando se tratan de idéntica forma. Algunas estrategias para superar este problema incluyen el almacenamiento de los bulbos a distintas temperaturas antes de la plantación o el escalonamiento en las fechas de plantación de las dos líneas. Una vez que se han producido los cruzamientos, las semillas híbridas F1 se recolectan en las plantas del parental femenino.

Marcadores moleculares asociados a la androesterilidad

La identificación de los tipos de citoplasma (N, CMS-S o CMS-T) y de los genes restauradores de la fertilidad resulta esencial como primer paso para la obtención de híbridos F1, ya que, dada la

característica bienal de este cultivo, este tipo de programas de mejora puede llevar de 4 a 8 años si se realizan pruebas de progenie convencional. Por ello, la identificación de marcadores moleculares asociados a estos mitotipos y genes nucleares resulta crucial para una eficiente selección de genotipos útiles en la obtención de híbridos (Havey, 1995).

Se han desarrollado algunos marcadores moleculares para distinguir los mitotipos (Havey, 1993, 1995, 2000; Sato, 1998; Engelke et al., 2003; Cho et al., 2006; von Kohn et al., 2013), pero sólo el marcador MK (Kim et al., 2009), distingue en una única reacción de amplificación los tres tipos de citoplasmas, N, S y T. En relación al locus Ms, se han desarrollado diferentes tipos de marcadores [RFLPs Gökçe y Havey, 2002; dos marcadores alelo específicos OPT y PsaO (Bang et al., 2011); dos SCAR, DNF-566 y RNS-357, (Yang et al., 2013); un CAPs jnurf05, (Park et al., 2013); un CAPS ACms.1100 (Bang et al., 2013); y varios SNPs (Havey, 2013)] a partir de genotipos con distinto fondo genético. Los genotipos utilizados para desarrollar estos marcadores se caracterizan, en algunos casos (ej.: jnurf05), por ser líneas segregantes (F2), con poca variabilidad entre sus progenitores, ocasionando una disminución del desequilibrio de ligamiento entre los marcadores y el locus Ms, cuando los marcadores se han validado en otros materiales más alejados genéticamente. En otras ocasiones, los marcadores (ej.: OPT y PsaO) se desarrollaron utilizando

poblaciones de polinización libre, en las cuales no es posible identificar líneas mantenedoras, lo que limita su uso para la selección de estas líneas. Uno de los últimos marcadores moleculares descrito asociado al locus Ms, ha sido el marcador co-dominante jnurf13 (Kim, 2014), el cual estaría a una distancia de Ms menor que jnurf05, posicionado a 0.05cM. Además, según cita el autor, este marcador co-segrega con los genes restauradores de ambos sistemas de androesterilidad (CMS-T y CMS-S), lo que representaría una ventaja a la hora de poder utilizar ambos sistemas para la obtención de híbridos. Por otro lado, al ser un marcador alelo específico, una única reacción de amplificación permitiría genotipar las muestras, sin necesidad de una posterior digestión, como si requiere el marcador CAPs jnurf05.

Aplicación de los marcadores moleculares

Recientemente, en el Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón (CITA) se están desarrollando trabajos relacionados con la androesterilidad en cebolla, que se han iniciado con estudios de validación de marcadores moleculares asociados a este carácter. Así, la evaluación del comportamiento de marcadores moleculares asociados a la androesterilidad en líneas de cebolla androestériles y

mantenedoras conservadas en el Banco de Germoplasma de Hortícolas de Zaragoza (BGHZ), ha permitido seleccionar dos marcadores (MK y jnurf05), que utilizados conjuntamente identifican correctamente el genotipo de las líneas estudiadas de acuerdo a su fenotipo androestéril (Garcés-Claver et al., 2014) (Figura 3).

La utilización de estos marcadores en 20 variedades locales de cebolla procedentes del BGHZ, ha puesto de manifiesto variabilidad genética para el carácter androesterilidad, tanto para el mitotipo (N, CMS-T y CMS-S) como para el locus Ms en este material vegetal. (López, 2014)

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Figura 3. Fragmentos amplificados en distintas variedades de cebolla con los marcadores MK y jnurf05. A) Productos de PCR amplificados con el marcador MK asociado al tipo de citoplasma, los individuos 1 -13 mitotipo CMS-T, los individuos 1 y 13 mitotipo normal, y el individuo 12 mitotipo CMS-S; B) productos amplificados con el marcador jnurf05 asociado al locus Ms, individuos del 2-10

homocigotos dominante (MsMs), individuos 1, 11 y 12 homocigotos recesivos (msms).

Referencias bibliográficas

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Bang, H.; Cho, D.Y.; Yoo, K.; Yoon, M.; Patil, B.S.; Kim, S. 2011. Development of simple PCR-based markers linked to the Ms locus, a restorer-of-fertility gene in onion (Allium cepa L.). Euphytica, 179: 439-449.

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Cho, K.-S.; Yang, T.-J.; Hong, S.-Y.; Kwon, Y.-S.; Woo, J.-G.; Park, H.-G. 2006. Determination of cytoplasmic male sterile factors in onion plants (Allium cepa L.) using PCR–RFLP and SNP markers. Mol. Cells, 21: 411–417.

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Evoor, S.; Veere Gowda, R.; Gangappa, E.; Krisna Monohar, R. 2007. Heterosis for yield, yield components and quality traits in onion (Allium cepa L.). Karnataka Journal of Agricultural Science 20, 813-815.

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López, J.I. 2014. Validación de marcadores moleculares asociados a la androesterilidad en cebolla (Allium cepa L.). Aplicación a la selección en poblaciones mejoradas de Cebolla Fuentes de Ebro. Proyecto Fin de Carrera. Escuela

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02/07/2015

Politécnica Superior de Huesca, Universidad de Zaragoza.

Park, J.; Bang, H.; Cho, D.Y.; Yoon, M.K.; Patil, B.S.; Kim, S. 2013. Construction of high-resolution linkage map of the Ms locus, a restorer-of-fertility gene in onion (Allium cepa L.). Euphytica, 192: 267-278.

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“El éxito de una cosecha radica en varios factores pero indudablemente la semilla es el

principio de todo el proceso y la culpable de gran parte de ese éxito”

Bimi ha sido el último gran lanzamiento de Sakata. ¿Cuántos años de trabajo e inversión hay detrás de un proyecto de este tipo?

La verdad que son muchos los años de trabajo necesarios que hay que emplear cuando hablamos del lanzamiento una nueva hortaliza como es Bimi. Empezando por el origen del proyecto, hace bastantes

Entrevista a Antonio Ibarra, Brasicas Product

Promoter de Sakata

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años Sakata obtuvo mediante técnicas de hibridación natural esta nueva verdura que es un híbrido entre el brócoli convencional (B. oleracea grupo Itálica) y el brócoli chino o kailan (Brassica oleracea grupo Alboglabra). Una vez que se obtuvo lo esencial que es el producto, hubo que estudiar sus posibilidades agronómicas y su viabilidad, y por último la parte que creo que es la más complicada y donde seguimos involucrados plenamente para que éste producto llegue hasta el consumidor. Desde hace varios años se viene trabajando con grandes chefs nacionales y paralelamente se han estado llevado otras acciones comerciales y publicitarias para que quien quiera degustarlo pueda hacerlo en un restaurante o comprándolo en su supermercado más cercano.

Sakata ha dado valor al brócoli. ¿Por qué cuesta tanto en nuestro país introducir una marca de frutas u hortalizas?

En nuestro país, como en todos, las costumbres culinarias son muy fuertes y por consiguiente no es fácil cambiar hábitos de consumo, en el caso del brócoli hay países en los que desde hace muchísimos años el brócoli forma parte habitual de su dieta, sin embargo en España aún hay gente no lo conoce aunque estamos contentos de que el consumo nacional crezca cada año, además los alimentos como brócoli o Bimi cada día son más buscados por los consumidores debido a la importancia que tienen los productos con un alto contenido de compuestos nutricionales y de tipo bio-activo.

¿En qué nuevos proyectos está trabajando Sakata en brásicas?

Trabajamos muy activamente en las diferentes especies de brásicas: coles es todos sus segmentos, coliflores, bimi, brócoli….En el caso de las coliflores, este año presentamos dos novedades importantes, Jericho y Merton. Pensamos que ambas variedades pueden satisfacer necesidades que el mercado venía demandando, en especial Merton, que es una variedad vigorosa indicada para plantaciones de invierno en zonas cálidas y recolecciones de primavera.

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En Bimi, no sólo trabajamos con ahínco en que llegue al consumidor sino que también, desde la mejora, se trabaja en obtener más variedades que complementen el calendario productivo.

Y como no podía ser de otra manera en el caso del brócoli tenemos varios focos de acción, por un lado se trabaja mediante charlas en colegios, degustaciones en mercados y colaborando con +brócoli, para que el consumidor lo conozca mejor y aprenda a cocinarlo de manera que pueda exprimir su multitud de

propiedades, y por otro lado seguimos mejorando y desarrollando variedades para satisfacer las

diferentes necesidades del mercado del brócoli, es decir, el mercado de la industria no demanda lo mismo que necesita el mercado del fresco, y a su vez el mercado del fresco no es igual en Reino Unido que en Alemania por poner un ejemplo. Y nuestras líneas de mejora van en relación con esto, y también con la obtención de variedades que aporten una mayor sanidad además de reducir los costes de producción.

La semilla es el principio de la mejor cosecha reza su último anuncio. ¿Por qué la genética es muchas veces la gran olvidada en la investigación hortícola?

El éxito de una cosecha radica en varios factores, pero indudablemente la semilla es el principio de todo el proceso y la culpable de gran parte de ese éxito. Todo el potencial de una variedad reside en sus genes, y quizás no se es consciente del trabajo y el esfuerzo que se requiere para poder obtener una nueva variedad.

¿Es el sector de las brásicasuno de los que más ha innovado en comparación con otras hortalizas o frutas?

El mercado de hortalizas o frutas creo que está siempre innovando, tanto con nuevos productos como con nuevas formas de comer y presentar los productos ya existentes. Quizás en el caso de las brásicas ésta innovación la percibimos de manera más acentuada porque en España el consumidor conocía desde hace mucho tiempo a la coliflor pero no tanto al brócoli o las diferentes variedades de coles o incluso al propio Bimi que es la última novedad en el mundo de las brásicas.

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