EVALUACIÓN DE LA DIVERSIDAD GENÉTICA EN UNA COLECCIÓN DE GERMOPLASMA DE FRÍJOL COMÚN (Phaseolus vulgaris L.) DE
RUANDA (ÁFRICA)
LAURA FERNANDA GONZÁLEZ MARTÍNEZ
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE CIENCIAS CARRERA BIOLOGÍA
Bogotá
18 de Febrero de 2008
EVALUACIÓN DE LA DIVERSIDAD GENÉTICA EN UNA COLECCIÓN DE GERMOPLASMA DE FRÍJOL COMÚN (Phaseolus vulgaris L.) DE
RUANDA (ÁFRICA)
LAURA FERNANDA GONZÁLEZ MARTÍNEZ
TRABAJO DE GRADO
Presentado como requisito parcia para optar al título de: l BIÓLOGA
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE CIENCIAS
CARRERA BIOLOGÍA Bogotá
18 de Febrero de 2008
Artículo 23 de la Resolución Nº 13 de Julio de 1946
“La Universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus trabajos de tesis. Sólo velará por que no se publique nada contrario al dogma y a la moral católica y por que las tesis no contengan ataques personales contra persona alguna, antes bien se vea en ellas el anhelo de buscar la verdad y la justicia”.
EVALUACIÓN DE LA DIVERSIDAD GENÉTICA EN UNA COLECCIÓN DE GERMOPLASMA DE FRÍJOL COMÚN (Phaseolus vulgaris L.)
DE RUANDA (África).
LAURA FERNANDA GONZÁLEZ MARTÍNEZ
APROBADO
_________________________ ___________________________
Matthew W. Blair, Ph.D María del Pilar Márquez, MSc.
Director Codirectora
_________________________ ________________________
Manuel Ruíz García, Ph.D Wilson Terán, Ph.D
EVALUACIÓN DE LA DIVERSIDAD GENÉTICA EN UNA COLECCIÓN DE GERMOPLASMA DE FRÍJOL COMÚN (Phaseolus vulgaris L.)
DE RUANDA (África).
LAURA FERNANDA GONZÁLEZ MARTÍNEZ
APROBADO
______________________ _______________________
ANGELA UMAÑA ANDREA FORERO Decana Académico Directora de Carrera
FORMATO DESCRIPCIÓN TRABAJO DE GRADO
AUTOR
Apellidos: González Martínez Nombres: Laura Fernanda DIRECTOR
Apellidos: Blair Nombres: Matthew W.
ASESOR
Apellidos: Márquez Nombres: María del Pilar TRABAJO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE: Bióloga
TÍTULO COMPLETO DEL TRABAJO: Evaluación de la diversidad genética en una colección de germoplasma de fríjol común (Phaseolus vulgaris L.) de Ruanda (África).
FACULTAD: Ciencias
PROGRAMA: Carrera: Biología CIUDAD: Bogotá 2008
NÚMERO DE PÁGINAS: 130 TIPO DE ILUSTRACIONES:
- Ilustraciones - Mapas - Tablas
- Gráficos y diagramas
DESCRIPTORES O PALABRAS CLAVES: Diversidad genética, Microsatélites, Fríjol común.
Dedico este trabajo a Dios, porque fueron sus manos las que lo elaboraron; por ser mi guía y mi fortaleza, por haber puesto los mejores
regalos en mi camino.
Al regalo mas hermoso que Dios me ha dado, Mi Familia, especialmente a mis
padres, José y Julia y mis abuelitos Belén y Mardoqueo por su infinito anhelo por
verme feliz siempre; por entregarme su sabiduría y sus consejos; y simplemente
porque a ustedes les debo mi vida. Las lágrimas, el sacrificio y las mil risas que lleva
este trabajo son dedicadas a ustedes por ser los artífices de la mujer que ahora soy.
AGRADECIMIENTOS
Al doctor Matthew Blair por esta magnífica oportunidad de dejarme hacer parte de su equipo de trabajo y por haber depositado su confianza en mi.
A Tito Sandoval por su felicidad e inmensa entrega; por darme tanta tranquilidad y hacerme brotar una sonrisa cada día… por hacer esto parte de su vida. Gracias por ser mi ángel y mi fuerza durante esta travesía de la tesis.
A Myriam Cristina Duque por su INCONDICIONAL apoyo en el desarrollo de la parte estadística y en general en la elaboración del documento; por sus consejos llenos de sabiduría y en especial por su amistad.
A Héctor Fabio Buendía, por sus invaluables consejos y por el inmenso aporte de conocimientos académicos y de la vida. A Lucy Milena Díaz por su confianza y su esfuerzo depositados en este trabajo. A Natalia Moreno por la colaboración en todas las etapas de mi paso por CIAT.
A Louis Butare por el inmenso aporte de conocimientos de Ruanda, por las apreciaciones hechas y sus buenos consejos; por su alegría y su apoyo.
A los demás compañeros de laboratorio, Marcela, Asrat, Teshale, Juliana, Hernán, Carolina A, Carlos, Gina, Carolina Ch, Gloria, Alejandra, Aura, y Alejandro, por su compañía, sus risas y en especial por las oportunidades de crecimiento profesional y personal brindadas en el ambiente que compartimos.
A los trabajadores del patio de fríjol, Don Luis, Alcides y en especial a Agobargo Hoyos por su paciencia y su ánimo en los momentos difíciles.
A la doctora Ingrid Schuler y a María del Pilar Márquez por creer siempre en mí y por su ayuda para mi vinculación en el CIAT.
A Piedad Medina y toda la familia por su inmenso apoyo emocional y porque en realidad me hicieron sentir parte de su hogar.
A Clara Yalexy Delgado por brindarme su amistad sincera durante tantos años, por ser mi alegría y calma en los momentos más difíciles.
A mis amigas Natalia Galindo, Andrea Barrera, Ivonne Salamanca, Martica Melo, Xamara
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN ________________________________________ 3 2 MARCO TEÓRICO Y REVISIÓN DE LITERATURA _____________ 5 2.1 GENERALIDADES DEL FRÍJOL __________________________________________ 5
2.1.1 Características Taxonómicas y Botánicas _____________________________________ 5 2.1.2 Origen, distribución y domesticación ________________________________________ 7 2.1.3 Cultivo, producción y Usos _______________________________________________ 10 2.1.4 Composición Química y Calidad nutricional __________________________________ 11 2.1.4.1 Composición Química _______________________________________________ 11 2.1.4.2 Calidad Nutricional _________________________________________________ 11 2.2 SITUACIÓN DEL FRÍJOL EN ÁFRICA _____________________________________ 13 2.2.1 Generalidades Ruanda __________________________________________________ 15 2.2.2 Fríjol en Ruanda _______________________________________________________ 17 2.2.2.1 Producción y consumo ______________________________________________ 18 2.2.2.2 Problemática Nutricional ____________________________________________ 19 2.2.2.3 Estrategias para combatir la problemática nutricional _____________________ 21 2.2.3 Perspectivas del cultivo de Fríjol ___________________________________________ 23 2.3 DIVERSIDAD GENÉTICA Y ANALISIS MOLECULAR MEDIANTE MICROSATLITES __ 23 2.3.1 Marcadores Moleculares ________________________________________________ 23 2.3.2 Microsatélites analizados mediante fluorescencia y Análisis secuenciador automático 26 2.3.3 Estudios de diversidad genética en Fríjol común ______________________________ 27 2.3.4 Estudios de diversidad en fríjol Africano ____________________________________ 30 2.4 CUANTIFICACION DEL CONTENIDO DE MINERALES EN FRÍJOL ______________ 31 2.4.1 Cuantificación por Absorción Atómica (AA) __________________________________ 31 2.4.2 Estudios de cuantificación de minerales en Fríjol Común _______________________ 32 3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ________________________ 34
3.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ______________________________________ 34 3.2 JUSTIFICACIÓN ____________________________________________________ 35 4 OBJETIVOS ___________________________________________ 37
4.1 Objetivo General __________________________________________________ 37 4.2 Objetivos Específicos _______________________________________________ 37 5 MATERIALES Y MÉTODOS ______________________________ 38
5.1 Población de Estudio _______________________________________________ 38 5.2 MÉTODOS ________________________________________________________ 40
5.2.1 Procesamiento del material vegetal: _______________________________________ 40 5.2.1.1 Germinación de la semilla: ___________________________________________ 40 5.2.1.2 Procesamiento Post‐germinación _____________________________________ 40 5.2.2 Extracción y cuantificación de ADN ________________________________________ 41 5.2.3 Amplificación mediante PCR de microsatélites analizados con fluorescencia ________ 42 5.2.4 Análisis en secuenciador Analítico ABI 3730xl ________________________________ 44 5.2.5 Cuantificación de hierro y zinc ____________________________________________ 46 5.2.6 Identificación de características de grano ___________________________________ 46 5.3 ANÁLISIS DE DATOS ________________________________________________ 47 5.3.1 Análisis de Diversidad Genética ___________________________________________ 47 5.3.1.1 Parámetros de uso común de diversidad para población total _______________ 48 5.3.1.2 Parámetros de uso común de diversidad para grupos formados a partir de PCoA 49 5.3.1.3 Coeficiente de similaridad ___________________________________________ 49 5.3.2 Análisis de cuantificación de minerales _____________________________________ 50 5.3.3 Características morfológicas ______________________________________________ 51 6 RESULTADOS ________________________________________ 52
6.1 ANÁLISIS DE DIVERSIDAD GENÉTICA ___________________________________ 52 6.1.1 Diversidad Genética y estructura Poblacional ________________________________ 52 6.1.1.1 Determinación de alelos ____________________________________________ 52 6.1.1.2 Población Total ____________________________________________________ 53 6.1.1.3 Análisis de Ordenación ______________________________________________ 56 6.1.1.4 Grupos definidos mediante PCoA _____________________________________ 64 6.1.2 Posibles eventos de introgresión entre acervos _______________________________ 65 6.1.3 Agrupación mediante índice de disimilaridad ________________________________ 69 6.2 ANÁLISIS DE MINERALES ____________________________________________ 71 6.2.1 Contenido de minerales en semilla de fríjol __________________________________ 71 6.2.2 Asociación contenido de minerales y estructura genética _______________________ 74 6.3 CARACTERISTICAS DEL GRANO DE FRÍJOL ______________________________ 76 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS ___________________________ 79
7.1 ANÁLISIS DE DIVERSIDAD GENÉTICA ___________________________________ 79 7.1.1 Población Total ________________________________________________________ 79 7.1.2 Grupos definidos mediante PCoA __________________________________________ 83 7.1.3 Agrupación mediante índice de disimilaridad ________________________________ 85 7.1.4 Posibles eventos de introgresión en la población estudiada _____________________ 86 7.2 ANÁLISIS DE MINERALES ____________________________________________ 87 8 CONCLUSIONES ______________________________________ 90 9 RECOMENDACIONES Y PERSPECTIVAS __________________ 92
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Contenido nutricional de semilla de fríjol. Contenido total en semilla y por 100g de semilla (Geil y Anderson, 1994 En: (Sandoval, 2006). ... 12
Tabla 2. Áreas de producción de Fríjol en 20 países de África, modificado de “Atlas of common bean production in Africa” (Wortmann et al, 1998). ... 15
Tabla 3. Comparación de los indicadores poblacionales y económicos de Ruanda y África Sub-Sahariana (ISAR, 2000). ... 17
Tabla 4. Concentraciones de Hierro, Zinc y proteína en cultivares producidos en África Oriental, Central y del sur (CIAT, 2005a) ... 22
Tabla 5. Controles Diversidad utilizados en este estudio con su respectivo origen (acervo al que pertenecen) ... 39
Tabla 6. Marcadores microsatélite fluorescentes utilizados en la caracterización de la diversidad genética de 355 genotipos de una colección de germoplasma de Ruanda. ... 42 Tabla 7. Reactivos necesarios para coctel PCR, condiciones necesarias y
concentraciones originales (stock). ... 43
Tabla 8. Parámetros de descripción para características de la semilla de fríjol;
basado en el catalogo de líneas avanzadas. ... 47
Tabla 9. Rango de valores medidos en ppm para interpretación de resultados de cuantificación de minerales (hierro y zinc). ... 50
Tabla 10. No de Alelos, Diversidad Genética y Heterocigocidad observada de los 30 microsatélites (16 Genómicos y 14 Génicos) utilizados en este estudio. ... 54
Tabla 11. Prueba t para comparar parámetros de diversidad (Heterocigocidad
Observada y Diversidad Genética) entre marcadores genómicos y génicos. .... 56
Tabla 12. Descriptores de diversidad para 6 grupos definidos por PCoA. ... 64
Tabla 13. Descriptores de diversidad (Número de alelos y Diversidad genética de Nei) para 30 loci SSR en población definida a partir de PCoA. ... 65
Tabla 14. Análisis de los parámetros de diversidad (Número de alelos y Diversidad genética de Nei) para 7 grupos formados incluyendo el nuevo grupo
considerado como introgresado (Mesi-Intro)... 68
Tabla 15. Estadística descriptiva para contenido de (ppm) de hierro y zinc en 355 accesiones de frijol provenientes de Ruanda... 71
Tabla 16. Estadística descriptiva para contenido en ppm de hierro y zinc en las poblaciones generadas mediante PCoA. ... 75
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Mapa de Ruanda, organización política (UnitedNations, 2007) ... 16 Figura 2. Producción anual, en Toneladas, de Fríjol en Ruanda (Musoni, 2006) ... 19
Figura 3. Sistema de flujo de la información obtenida a partir del archivo de la muestra dentro del software de auto-análisis. Modificado de (Joe et al., 2004).
... 27
Figura 4. Localización geográfica de Ruanda en el continente Africano ... 38
Figura 5. Diagrama del procedimiento que sigue la muestra a analizar (líneas azules gruesas señalan cada paso). Modificado de (Joe et al., 2004). ... 45
Figura 6. Electroferograma obtenido a partir del análisis por ABI 3730xl y generado por el software GeneMapper v.3.7. ... 52
Figura 7. Electroferograma obtenido a partir del análisis por secuenciador ABI 3730xl y generado por software GeneMapper v.3.7. ... 53
Figura 8. Representación gráfica en tres dimensiones de la distribución y ubicación espacial de los genotipos de Ruanda a partir del Análisis de Coordenadas Principales (PCoA), teniendo en primer plano horizontal la dimensión 2. ... 57
Figura 9. Representación gráfica en tres dimensiones de la distribución y ubicación espacial de los genotipos de Ruanda a partir del Análisis de Coordenadas Principales (PCoA), teniendo en primer plano horizontal las dimensiones 1 y 2 ... 58
Figura 10. Individuos considerados como raros a partir del análisis de coordenadas principales. ... 59
Figura 11. Dendrograma de acervos genéticos obtenido por distancia euclidiana aplicada a coordenadas obtenidas por PCoA. ... 60
Figura 12A. Dendrograma de acervos genéticos obtenido por distancia euclidiana aplicada a coordenadas obtenidas por PCoA. Muestra dos grupos formados en el acervo Mesoamericano (MI y MIII). ... 61
Figura 13. Individuos que se presentan como posibles eventos de introgresión dentro del estudio ... 66
Figura 14. Individuos pertenecientes a Meso-Intro (agrupados por PCoA como Meso II pero que posiblemente presenten eventos de introgresión) ... 69
Figura 15. Dendrograma basado en el índice de disimilaridad de DICE para la colección de germoplasma de Ruanda.. ... 70
Figura 16. Histogramas de cuantificación de minerales mediante la metodología de AA. ... 72
Figura 17. Genotipos con mayor y menor contenido de hierro y zinc ... 73 Figura 18. Gradiente de concentración de zinc encontrado en grupos
mesoamericanos indicado por las flechas azules. ... 75
Figura 19. Distribución porcentual de color, tamaño y patrón de coloración de semilla en la población de estudio. ... 76
Figura 20. Distribución del color de la semilla dentro de cada grupo poblacional formado a partir de PCoA... 77
RESUMEN
La presente investigación, adelantada mediante la realización de un trabajo interinstitucional entre la Pontificia Universidad Javeriana y el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) ubicados en Colombia, es una contribución de la ciencia para enfrentar uno de los más importantes problemas mundiales relacionados con el hambre en países en desarrollo. El fríjol común Phaseolus vulgaris L. es una de las leguminosas más comunes a nivel mundial, siendo uno de los alimentos más consumidos en los países en vías de desarrollo; en Ruanda (África) éste es el principal alimento en la dieta diaria. Debido a estos hechos trascendentales esta planta es el foco de muchos estudios de diversidad genética alrededor del mundo. El objetivo de este estudio fue caracterizar la diversidad genética de una colección de fríjol común proveniente de Ruanda. Un total 355 genotipos y 4 individuos (pertenecientes a los dos acervos principales del fríjol) usados como controles, fueron analizados mediante el uso de 30 marcadores moleculares tipo microsatélites fluorescentes. Se utilizaron dos tipos de marcadores genómicos (16) y génicos (14). Un total de 301 bandas fueron generadas con un promedio de 10.16 alelos por marcador y una diversidad total de 0.62. El análisis de coordenadas principales identificó la presencia de los dos acervos principales del fríjol (Andino y mesoamericano) y un posible grupo de genotipos introgresados. Se presentó mayor diversidad dentro del grupo de los mesoamericanos. Adicional a esto se realizó un análisis de datos minerales (hierro y zinc), mediante la técnica de absorción atómica (AA), encontrando valores altos para estos dos minerales. La caracterización de la diversidad genética de este grupo de genotipos de Ruanda permitió observar altos niveles de variabilidad genética y un importante contenido de minerales lo cual puede ser muy útil en futuros planes de mejoramiento.
ABSTARCT
This research work, carried out through an interinstitutional work between Pontificia Javeriana University and The International Center of Tropical Agriculture –CIAT- located in Colombia, is a contribution of science to face one of the most important global issues dealing with hunger in developing countries. Common bean Phaseolus vulgaris L. is one of the most important legumes worldwide, belonging to the most consumed food in developing countries. In Rwanda (Africa), beans provide the centre-piece of the daily diet. Due to its great significance, common bean forms a focal point in many studies of genetic diversity throughout the world. The objective of this thesis is the genetic diversity characterization of a common bean collection originating from Rwanda. A total of 355 genotypes and 4 individuals used as controls (belonging to the two major gene pools of common bean) were analyzed through the use of 30 molecular markers which were fluorescent microsatellites. Two types of markers were used: genomic (16) and cDNA markers (14). A total of 301 bands were generated with an average of 10.16 alleles per marker and a total diversity of 0.62.
Principal component analysis identified the presence of two major gene pools of common bean (Andean and Meso-American) and a possible group of introgressed genotypes. Most diversity was found in the group of the Meso-American genotypes.
Additionally, an analysis of mineral content (iron and zinc) was realized using the method of atomic absorption (AA). High amounts were found for both minerals. The characterization of genetic diversity of this genotype collection of Rwanda allowed to observe high levels of genetic variability and high contents of minerals. This information may be very useful in future breeding projects.
1 INTRODUCCIÓN
La desnutrición es uno de los grandes problemas que actualmente aqueja a la humanidad. Alrededor de 800 millones de personas en todo el mundo la padecen, esto ha llevado a buscar soluciones encaminadas al mejoramiento y conservación de las especies y hacía una mayor producción de las mismas, especialmente, en países en vía de desarrollo.
Una consideración importante para iniciar esta investigación, radica en el hecho de que tres de los principales centros de estudio en el mundo son África, el subcontinente Asiático y América Latina; estos con frecuencia basan su dieta en alimentos como yuca, maíz, arroz, trigo, entre otros, que son ricos en carbohidratos, pero pobres en proteínas y minerales. Por tanto, especies vegetales como las leguminosas, que son el grupo de plantas que produce grano más rico en proteínas y minerales, juegan un papel crucial en la dieta de sus habitantes.
Dentro de este grupo de plantas se encuentra una de las especies mas importantes en la que la humanidad fundamenta su alimentación, el fríjol común Phaseolus vulgaris L. América y África son los principales productores y consumidores de esta leguminosa. Más de 100 millones de personas en África, la mayoría de bajos recursos pertenecientes tanto a áreas rurales como urbanas, consumen fríjoles dentro de su dieta diaria, por ser estos una fuente importante y económica de proteínas, energía y micronutrientes. Específicamente en Ruanda el fríjol es un cultivo de gran relevancia, alrededor de 8 millones de Ruandeses consumen fríjol y se estima un consumo anual de 60 Kilogramos per capita. Este alimento provee el 84% de proteínas de leguminosas o 65% de todas las proteínas vegetales y animales (y 32% de energía) consumidas. Adicional a esto, el fríjol es un cultivo tradicional y de importancia cultural ya que se usa como ofrenda o regalo.
Sólo en África, cerca de 4 millones de hectáreas son cultivadas anualmente con una producción de 2 millones de toneladas. A pesar de que en sus países la producción es alta, debido a la gran demanda que existe de este alimento, se presentan problemas fitosanitarios o ambientales que afectan el rendimiento de los cultivos.
Por todo lo anteriormente expuesto, y por su alta variabilidad genética, el fríjol común P. vulgaris L se constituye en una especie de gran importancia dentro de estudios de mejoramiento, lo que generó el interés por adelantar esta investigación realizada en el Laboratorio de Caracterización de Germoplasma de Fríjol (LCGF), ubicado en el CIAT, en torno al siguiente problema: El fríjol común (P. vulgaris L.), como renglón importante de la economía y alimentación de la mayoría de países en vía de desarrollo de África específicamente Ruanda, requiere la profundización en estudios a nivel molecular que permitan caracterizar su diversidad genética con miras a apoyar su mejoramiento nutricional.
El presente estudio tiene como objetivo: Caracterizar la diversidad genética de 355 genotipos de fríjol común provenientes de diferentes regiones de Ruanda (África) mediante el uso de marcadores moleculares tipo microsatélites fluorescentes. El uso de los microsatélites en estudios de diversidad es muy importante debido a que ofrecen gran cantidad de información por su naturaleza multialélica, son codominantes, tienen alto poder discriminatorio, son reproducibles, tienen herencia mendeliana y presentan fácil detección dentro de sistemas automatizados. Adicional a la caracterización de la diversidad se realizó un análisis del contenido de hierro y zinc a partir de la técnica de Absorción Atómica.
En este trabajo se logró encontrar altos niveles de diversidad genética y de contenidos de minerales para los genotipos en estudio, lo cual despierta la atención debido a las necesidades alimentarias por las que atraviesa Ruanda, siendo esto un paso importante para el inicio de programas que favorezcan la producción de la especie en este país.
2 MARCO TEÓRICO Y REVISIÓN DE LITERATURA
El sustento teórico para la realización de esta investigación se basa en aportes de autores reconocidos e investigaciones acerca de las generalidades de fríjol, características de Ruanda, los cuales se contemplan a continuación:
2.1 GENERALIDADES DEL FRÍJOL
El fríjol común (Phaseolus vulgaris L.) es una de las especies más importantes en el mundo pues hace parte del grupo de plantas en las cuales la humanidad encuentra la principal fuente de proteína para su alimentación. La mayor parte de su producción se presenta en los países de bajos recursos, como los pertenecientes a los continentes Africano y Americano (Broughton et al., 2003). Sin embargo, esta fuente alimenticia se ve amenazada por problemas que afectan la producción, debido a proliferación de plagas y enfermedades que generan pérdidas del 10 y 100% (Beebe et al., 2000b).Esto hace del fríjol, una especie interesante para estudios de diversidad enfocados hacia mejoramiento.
2.1.1 Características Taxonómicas y Botánicas
El fríjol común Phaseolus vulgaris L. es una planta leguminosa dicotiledónea. La superfamilia Leguminosae, familia Fabaceae que comprende casi 10.000 especies agrupadas en 643 géneros encontrados en diferentes ambientes y temperaturas. El género Phaseolus comprende aproximadamente 35 especies, entre las que se encuentran Phaseolus vulgaris, Phaseolus lunatus, Phaseolus coccineus, Phaseolus polyanthus y Phaseolus acutifolius, las cuales corresponden a las cinco cultivadas comercialmente (Betancour & Dávila, 2002; Fonnegra, 1996). El genero Phaseolus se caracteriza por la presencia de la Faseolina, una proteína de almacenamiento en el tejido cotiledonal de la semilla; determina la cantidad y calidad nutricional de las proteínas en las semillas de frijol (Gepts et al., 1986); existen diferentes tipos de faseolinas asociados con el tamaño de la semilla, por ejemplo la de tipo ‘S’ (Sanilac) se relaciona con semilla pequeña, mientras que la ‘T’ (Tendergreen) y ‘C’ (Chile) con mediana y grande (Islam et al., 2002b; Singh et al., 1988).
Como planta anual y herbácea se cultiva esencialmente para obtener y consumir las semillas, que son las que más aporte nutricional hacen, al presentar alto contenido de proteínas (22% en materia seca). En cuanto a la morfología, presenta un sistema radicular que desarrolla raíces secundarias y terciarias, es superficial ya que el mayor volumen de la raíz se encuentra en los primeros 20 cm de profundidad del suelo; presenta nódulos distribuidos en las raíces laterales de la parte superior radical, estos nódulos son colonizados por bacterias del género Rhizobium las cuales fijan nitrógeno atmosférico (Debouck & Hidalgo, 1989).
El tallo es cilíndrico y sub-glabro o pubescente, puede ser verde, morado o rosado.
Tiene un incremento progresivo en la longitud de internodos y se pueden identificar 4 tipos de hábitos de crecimiento según la terminación apical del tallo y de las ramas, dependiendo de si se forma un racimo o un meristema apical, respectivamente (Betancour & Dávila, 2002):
Los dos primeros tipos corresponden a los arbustivos, TIPO I: determinado arbustivo, sus ramas terminan en racimos; la inflorescencia desarrollada es terminal, es decir detiene el crecimiento de la rama; carecen de la habilidad de trepar. TIPO II: indeterminado arbustivo, tienen tallos cortos erectos de 30 a 50 internodos y ramas; las plantas terminan en guías cortas y son semi-trepadoras (Beebe et al., 2000b; Debouck & Hidalgo, 1989; Schoonhoven & Oswaldo, 1994). Los otros dos son: TIPO III indeterminado postrado, con ramificación bien desarrollada y altura superior a los 80cm; el hábito TIPO IV, se le conoce como indeterminado trepador, el cual desarrolla la capacidad de torsión, sus ramas son poco desarrolladas, pueden alcanzar alturas de más de dos metros (Schoonhoven & Oswaldo, 1994).
Las hojas son trifoliadas con pecíolo y raquis acanalado; la inflorescencia es racimosa, en el caso del tipo determinado es terminal y para los indeterminados es axilar; la flor es la típica de la familia Fabaceae es decir, con forma de mariposa, bilateralmente simétrica, encerrada por bractéolas verdes, la corola es estándar, dos alas y una quilla asimétrica, los colores de la colora son usualmente verde, blanco, rosado o morado; el fruto es una vaina con dos valvas, las cuales provienen del ovario comprimido; presenta placentación marginal (Beebe et al., 2000b; Debouck &
La semilla puede ser redonda, esférica o arriñonada, de acuerdo con la variedad de fríjol, al igual que el hilum y el micrópilo. La semilla no es endospermica sino consiste en embrión con dos cotiledones simétricos, su germinación es epigea y consume estos cotiledones que sirven de almacenamiento para el crecimiento. Las hojas primarias son simples, opuestas, cordiformes y acuminadas y caen antes de que la planta esté completamente desarrollada; mientras que las hojas secundarias son compuestas, trifoliadas con venación reticular, pueden ser de forma ovalada a triangular (Debouck & Hidalgo, 1989; Debouck & Tohme, 1988).
2.1.2 Origen, distribución y domesticación
El fríjol común Phaseolus vulgaris L. (2n=2x=22) fue domesticado en el Nuevo mundo aproximadamente hace 7000 a 10000 años atrás El fríjol ha evolucionado a través de su domesticación, desde las formas silvestres ancestrales como Phaseolus vulgaris var. aborigineus [Burk] Baudet, una enredadera anual que se distribuía en altitudes medias 1500-2000 msnm, en bosques claros o en las regiones del neotrópico en un rango superior a 8000km, desde el norte de México hasta el norte de Argentina (Beebe et al., 1997; Chrispeels & Savada, 2003; Koenig & Gepts, 1989).
Estudios bioquímicos asociados con los patrones geográficos (Koenig & Gepts, 1989), evidencias de proteínas de la semilla (Gepts & Bliss, 1986), rasgos morfológicos (Singh et al., 1991b) y marcadores moleculares (Beebe et al., 2001;
Beebe et al., 2000b), incluyendo los microsatélites (Blair et al., 2007; Blair et al., 2006; Díaz & Blair, 2006), han revelado que existen dos centros de diversidad primarios, un origen Mesoamericano y un origen Andino. En fríjol silvestre, según Koenig y Gepts (1989), Gepts y Bliss (1986), Beebe et al (1997), se ha hecho referencia a un tercer acervo en el norte de los Andes. Un estudio de la colección núcleo de CIAT por Islam (2002) quien evaluó 1072 accesiones, dio soporte a la evidencia de la existencia de este otro acervo. Hasta ahora éste no ha sido caracterizado como recurso potencial para el mejoramiento del fríjol y tampoco se ha realizado una evaluación nutricional de concentraciones de sus elementos (Islam et al., 2002b).
Estos centros de diversidad, actualmente llamados acervos, reflejan múltiples eventos de domesticación dentro de las distintas poblaciones silvestres (Gepts &
Bliss, 1986). El acervo Mesoamericano se caracteriza por presentar genotipos con semillas pequeñas a medianas, con faseolinas tipo ‘S’, ‘CH’, ‘Sb’, ‘Sd’ y ‘M’, mientras que en el acervo Andino se encuentran semillas medianas a grandes con tipo de faseolina ‘T’, ‘H’ y ‘C’ (Islam et al., 2004; Kami et al., 1995; Singh et al., 1991a).
Dentro de cada acervo se pueden distinguir razas, cuatro para Mesoamericano y tres para Andino, las cuales han surgido debido a procesos de domesticación (Singh et al., 1991a); para su clasificación y caracterización se han basado en las diferencias morfológicas de la planta (Hábito de crecimiento), de la semilla (Tamaño, forma, color) y a partir de estudios moleculares como Beebe et al 2000 quienes utilizaron RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) y posteriormente Beebe et al 2001 con la técnica de AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) o por medio de microsatélites (Blair et al., 2007; Blair et al., 2006; Díaz & Blair, 2006;
Gomez et al., 2004).
Los genotipos del acervo Mesoamericano predominan en México, América central (Guatemala, El Salvador, Honduras, Nicaragua y Costa Rica) y Brasil; se pueden distinguir las razas Mesoamérica (M), Durango (D), Jalisco (J) y Guatemala (G).
(Beebe et al., 2000b; Broughton et al., 2003; Islam et al., 2004).
La raza Mesoamérica es común en México y América Central, se caracteriza por tener un tamaño de semilla relativamente pequeño, por su adaptación a tierras bajas y por presentar principalmente los hábitos de crecimiento Tipo II o III, y en algunos casos Tipo IV. Las clases comerciales de esta raza incluyen semilla pequeña negra, semilla roja pequeña y semilla blanca. La raza Durango está compuesta principalmente por plantas con tipo de crecimiento III con hojas pequeñas, semillas de tamaño medio y con adaptación a ambientes secos de tierras altas en México;
las clases comerciales incluyen pinto, grande del norte y rojo mexicano. La Raza Jalisco, se encuentra en ambientes más húmedos de las tierras altas de México y está compuesta principalmente por plantas trepadoras (Tipo IV), los genotipos presentan tamaño medio de semilla (Beebe et al., 2000b). Y por último la Guatemala
formada por especies trepadoras en regiones húmedas montañosas (Islam et al., 2004).
Análisis mediante AFLP (de las siglas en Inglés Amplified Fragment Length Polymorphism) revelan que las poblaciones de fríjol silvestre en la zona Andina han sido aisladas la una de la otra, resultando poblaciones discretas en Ecuador y el norte de Perú; en el sur de Perú, Bolivia y el norte de Argentina (Tohme et al., 1996). Con base en estudios morfológicos y criterios ecológicos, el acervo Andino puede ser subdividido en tres razas; Raza Nueva Granada (NG), Perú (P) y Chile (C). La primera representa a los genotipos con tamaño de semilla medio a grande y con hábito de crecimiento arbustivo, e incluye la mayoría de cultivares comerciales de semilla grande. La raza NG es la más cultivada dentro del acervo Andino, prosperando principalmente en alturas medias de África y América; en ambientes de tierras bajas de Brasil, México y el Caribe y en climas templados de Norte América y Europa. A la raza Perú pertenecen las plantas trepadoras, la mayoría de las cuales están adaptadas a tierras altas por encima de los 2000 msnm, mientras que la raza Chile se característica por presentar habito de crecimiento tipo III, semilla de tamaño medio, de forma redonda u ovalada, y usualmente colores pálidos que se encuentran en latitudes altas en Turquía, Irán y China (Beebe et al., 2001).
Hallazgos arqueológicos en Perú y en el sur occidente de los Estados Unidos, determinaron que el Nuevo mundo es el centro de origen del fríjol; sin embargo en la actualidad este se encuentra distribuido mundialmente (Diaz, 2005a; Singh, 2001).
Los centros secundarios de diversidad están en África, Brasil, Europa, Medio Oriente, así como América del Norte (Broughton et al., 2003). Es posible que el fríjol halla sido introducido a África por los exploradores Árabes y Europeos y por los comerciantes de Brasil y el sur de los Andes en los siglos XVI y XVII (Debouck &
Hidalgo, 1989; Musoni, 2006).
Ruanda es considerado como un centro secundario de diversidad de fríjol. Existe gran diversidad de genotipos pertenecientes a los dos acervos; mezclas de plantas de diferentes granos crecen normalmente en las fincas de este país. Algunos materiales considerados como extintos en los centros de origen de América Latina existen en Ruanda (Musoni, 2006).
La alta variedad de ambientes en los cuales se cultiva el fríjol ha llevado a incrementar la variabilidad fenotípica, especialmente de caracteres como el hábito de crecimiento, el tipo de grano, la fenología y la sensibilidad al fotoperiodo. Los altos niveles de polimorfismo, la diversidad fisiológica y amplia distribución geográfica hacen difícil el establecimiento de patrones de domesticación y relación entre genotipos (Becerra & Gepts, 1994).
El fríjol común tiene varios centros posibles de domesticación en América latina. De las especies conocidas del género Phaseolus, 5 de ellas se domesticaron durante la época precolombina; el fríjol común fue de gran importancia en los imperios azteca e inca siendo utilizado como elemento para el pago de tributos (Diaz, 2005a)
El progenitor del fríjol y los descendientes cultivados generalmente dan una progenie fértil y viable, muestran diferencias contrastantes constituyendo así el síndrome de la domesticación; los genotipos cultivados, muestran un hábito de crecimiento más compacto comparado con los parentales silvestres, menos nodos vegetativos, hojas de mayor tamaño e internodos más largos. En cuanto a las semillas, éstas son más grandes y tienen menor pigmentación por antocianina.
Algunos genotipos cultivados no poseen sensibilidad a la longitud del día (su progenitor solo florecía en días cortos), estos florecen más temprano (Koinange et al., 1996). Dos de los atributos más importantes en el proceso de domesticación son: pérdida de la habilidad de dispersión de semilla y la dormancia de la semilla (fundamentales para la adaptación a cultivo) (Broughton et al., 2003). La domesticación, fue un proceso rápido lo que puede indicar que la adaptación a las condiciones ambientales cambiantes involucró genes con mayores efectos genotípicos (Koinange & Gepts, 1992).
2.1.3 Cultivo, producción y Usos
El fríjol es extremadamente diverso en términos de métodos de cultivo, usos, rangos de ambientes a los cuales ha sido adaptado y variabilidad morfológica. Puede cultivarse en terrenos ubicados desde la altura del nivel de mar hasta 3000 m.s.n.m, es cultivado en monocultivos, en asociaciones o en rotaciones. Los frijoles son consumidos como granos maduros, también como semilla inmadura, tanto
Su recurso genético existe como un arreglo complejo de acervos genéticos mayores y menores, razas y tipos intermedios con introgresión ocasional entre tipos salvajes y domésticos. El cultivo de fríjol es entonces uno de los que mejor se adapta a diferentes ambientes; la producción mundial de fríjol alcanza los 23 millones de toneladas, de los cuales 7 millones se producen en países tropicales de Latinoamérica y África (Pastor-Corrales & Schwartz, 1994).
Las condiciones donde se produce el fríjol son muy variables, van desde zonas muy húmedas a zonas semi-desérticas como el noreste de Brasil, el centro y el altiplano nororiental de México, el valle de Rift del oriente de África y entre las zonas montañosas de Estados Unidos (Singh, 2001). Sin embargo, la producción de fríjol está reducida a pequeños terrenos con agricultores de bajos recursos y en ambientes no óptimos para la especie con sequías estacionales (Broughton et al., 2003; López et al., 1985). El fríjol es uno de los principales cultivos, después del maíz, en el centro y este de África. Cerca de 4 millones de hectáreas de fríjol son cultivadas anualmente en éste continente, con una producción de dos millones de toneladas (Chrispeels & Savada, 2003).
2.1.4 Composición Química y Calidad nutricional
2.1.4.1 Composición Química
Al 11 % del contenido de humedad, la semilla tiene 17-30% de proteína, generalmente bajos en amino ácidos azufrados (metionina y cisteína) pero alto en lisina. También tiene 57.8% del complejo de azucares, 1.6% de grasa, 4% de fibra y grandes cantidades de ácido fólico; en cuanto a los micronutrientes esenciales, presenta cerca de 34-89 ppm de hierro y 21-54 ppm de zinc(Beebe et al., 2000a;
Musoni, 2006). Las hojas frescas son ricas en hierro y vitamina A. En África del este ESCABREN identificó ciertas variedades como ‘Ngwinurare’, ‘Gofta’, ‘Maharagi Soya’, con altos contenidos de minerales en hojas y semillas (Kimani et al., 2000)
2.1.4.2 Calidad Nutricional
Más de 300 millones de personas basan su dieta diaria en la leguminosa comestible más importante del mundo, el Fríjol común, por ende hace una contribución
importante a la nutrición (Beebe et al., 2000a). Los fríjoles proveen proteína a la dieta y son alimento de gran importancia por complementar cereales que son fuente primaria de carbohidratos; como en otras leguminosas, los fríjoles contienen grandes cantidades de hierro y otros minerales (Beebe et al., 2000b; Broughton et al., 2003).
El valor nutricional del fríjol radica en que su semilla es una fuente importante de calorías, vitaminas, proteínas, carbohidratos y grandes concentraciones de minerales esenciales, el contenido nutricional de la semilla se puede detallar en la tabla 1. En América Latina y en el continente Africano, el fríjol es utilizado totalmente para consumo humano y mundialmente el fríjol es conocido como la
“carne de los pobres”, por ser fuente muy importante de proteína y de bajo costo (MINAGRI/MINEDUC, 1993). El contenido de proteína del fríjol varía según la variedad pero en general es de un 24% superando a la papa y al maíz (Betancour &
Dávila, 2002).
Tabla 1. Contenido nutricional de semilla de fríjol. Contenido total en semilla y por 100g de semilla (Geil y Anderson, 1994 En: (Sandoval, 2006).
Contenido Total en Semilla
Contenido por 100g de semilla
Calorías (kcal) Proteínas (%) Carbohidratos (%)
Fibra (%) Grasa (%)
21-25 60-65 3-7 0.8-1.5
110-143
Vitaminas (%
RDA) Ácido fólico 30
Tiamina 25 Piridoxina 10-12 Niacina 10 Riboflavina 10 Minerales (% RDA) Hierro 29-55
Fósforo 20-25 Calcio 10 Zinc 10
El hierro es uno de los minerales vitales en la dieta del hombre, ya que participa en importantes procesos de oxido-reducción, está presente en numerosas enzimas involucradas en el mantenimiento de la integridad celular, tales como las catalasas, peroxidasas y oxigenasas y a su vez forma parte estructural y/o funcional de algunas enzimas como la hemoglobina. La forma de absorción en el organismo depende de la forma química presente en la dieta, ya sea como hierro hemo (en alimentos de origen animal) o hierro inorgánico (en alimentos de origen vegetal), en este último caso su absorción no es proporcional a su contenido ya que se ve afectada por factores químicos presentes en los alimentos, tales como oxalatos, taninos y fitatos (Barrios et al., 2000).
El zinc es importante para la formación de enzimas, se encuentra directamente involucrado con el crecimiento y desarrollo, la insuficiencia de este mineral impide el crecimiento normal; adicional a esto se ha observado su importancia en el mantenimiento de la función y la estructura de las biomembranas; inhiben el daño oxidativo al atrapar radicales libres a través de su enlace con la metalotioneina o bien mediante la unión a las membranas en sitios que pueden ser ocupados por metales con potencial redox, estabiliza los grupos “tio” (O´Dell, 1981 En: (Moreno, 2007).
2.2 SITUACIÓN DEL FRÍJOL EN ÁFRICA
En términos de producción y consumo, el fríjol común es la leguminosa de grano más importante en el oriente, centro y sur de África, mas de 100 millones de personas en este continente lo consumen; se estima que éste es el segundo recurso de proteína, y el tercero de calorías más importante de la región; los agricultores cultivan muchas variedades de fríjol. Típicamente 6 cultivares cuentan para el 95%
de la producción en muchas comunidades, pero la diversidad es más alta en las regiones de los grandes lagos y áreas adyacentes a Uganda, donde las mezclas son la norma.
Las mezclas son también importantes en parte de Malawi, Mozambique y Tanzania (Martin & Adams, 1987). Sin embargo, hay una tendencia a producir cultivares más orientadas hacia el mercadeo, en poblaciones urbanas que demandan mayor uniformidad para el consumo de fríjoles (Broughton et al., 2003; CIAT, 2005a).
Millones de hectáreas son cultivadas en más de 20 países de África (Tabla 2), en estos lugares los agricultores de bajos recursos e ingresos, producen fríjoles principalmente en escala pequeña; las mujeres siembran mucho más que los hombres. Gran cantidad de cultivos se pierden debido a enfermedades, pestes de insectos, sequía, baja fertilidad en los suelos u otros factores de estrés abiótico (David & Sperling, 1999).
Gran cantidad de variedades de fríjol se cultivan en África, siendo notorio en la diversidad del tipo de semilla y su adaptación. La elección de las variedades más populares para el mercado, pueden estar dictadas por la resistencia a variabilidad climática y a condiciones agronómicas, en algunos casos dicha elección puede producirse por el tamaño grande de la semilla, pero la mayoría de agricultores especialmente del oriente y del centro de África hacen mezclas de todas las formas y colores de las semillas (Broughton et al., 2003; Musoni, 2006).
Las semillas pequeñas y medianas suelen ser seleccionadas con mayor frecuencia debido a que se puede sembrar mayor área y además estas confieren mayor resistencia a factores ambientales y a enfermedades (Comunicación Personal B.
Lewis investigador programa fríjol Ruanda CIAT, 2007).
El comercio de la semilla de esta planta es muy importante, y puede ocurrir localmente, entre ciudades o informalmente entre países, usualmente se establecen rutas de comercio hacia áreas urbanas dentro del mismo país de producción; las hojas de esta planta también hacen parte del comercio(David & Sperling, 1999).
Tabla 2. Áreas de producción de Fríjol en 20 países de África, modificado de “Atlas of common bean production in Africa” (Wortmann et al, 1998).
Región Países Área (%) Área (ha x 10-3)
Africa Oriental- tierras altas y alturas medias
Burundi, DR Congo, Etiopia, Kenia, Ruanda,
Tanzania, Uganda
62 2490
Africa del Sur Lesotho, Madagascar, Malawi, Mozambique, Sur
África, Swaziland, Tanzania, Zambia,
Zimbabue
31 1290
Africa Occidental Angola, Cameroon, Cape Verde, Togo
3 135
Tierras bajas- estación de invierno
Algeria, DR Congo, Egipto, Mali, Malawi,
Mauritius, Morocco, Nigeria, Sudan, Tunisi
4 200
TOTAL 100 4025
Se considera que en el oriente y sur de África el consumo de fríjol es mayor que el de Latinoamérica, las estadísticas muestran que 66kg por persona son consumidos en algunas zonas rurales de Kenia mientras que en Ruanda y Burundi el consumo promedio nacional excede 40kg por persona por año (Broughton et al., 2003). Los dos acervos principales de Phaseolus vulgaris L. están representados en África. El 61% de las cultivares presentes corresponden a semillas grandes típicas del acervo Andino; el resto pertenecen al acervo Mesoamericano, caracterizado por las semillas pequeñas o medianas (CIAT, 2005b).
2.2.1 Generalidades Ruanda
Ruanda se encuentra localizado en una región conocida como África Subsahariana (término utilizado para describir a los países del continente africano ubicados al sur del desierto del Sahara y que no forman parte de la región conocida como Noráfrica) específicamente en la parte oriental de África Central (MINAGRI/MINEDUC, 1993).
El país tiene una población de 8.6 millones de personas viviendo en un área de 26,368 Km2, haciendo de Ruanda uno de los países más densamente poblados en África, 322 habitantes por Km2 (ISAR, 2000). En la Figura 1 se muestra el mapa de organización política de Ruanda.
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Tabla 3. Comparación de los indicadores poblacionales y económicos de Ruanda y África Sub-Sahariana (ISAR, 2000).
Indicador Ruanda África Subsahariana Tamaño poblacional 7.7 millones 596 millones Densidad Poblacional 303 por km2 26 por km2 . Población Activa:
• Sector Agrícola
• Sector Industrial
• Sector de
servicios
• 91.1 %
• 1.7%
• 7.2 %
• 70.0 %
• 7.5 %
• 22.5 %
PIB US$ 240 US$ 490
2.2.2 Fríjol en Ruanda
El fríjol común (Phaseolus vulgaris L.) puede ser llamado una comida casi perfecta, por ser rico en proteínas carbohidratos, vitaminas y minerales como hierro, zinc y ácido fólico, componentes esenciales para el crecimiento y desarrollo del cuerpo humano y para el buen mantenimiento de la salud y desarrollo cognoscitivo (Ferris et al., 2002; ISAR, op cit).
Los fríjoles son el principal componente en la nutrición de la vida de los Ruandeses;
la mayoría de familias consumen al menos una vez al día esta leguminosa y no sólo en la forma más común como es el grano seco sino también utilizan en sus platos las hojas, las vainas verdes y las semillas verdes. El cultivo del fríjol es el más tradicional y de mayor importancia cultural, con frecuencia se usa como ofrenda o regalo (Sperling, 2001).
A pesar de su importancia se puede reconocer algunos problemas en la producción del fríjol y en gran parte se debe a que las tierras destinadas para los cultivos no presentan procesos de rotación o tratamientos adecuados que ayuden a mejorar la calidad del suelo. Adicional a esto el suelo carece de nutrientes esenciales tales como nitrógeno, fósforo y potasio (Kelly et al., 2001). Algunos suelos son ácidos, contribuyendo a la toxicidad de elementos minerales como aluminio y manganeso.
Los problemas bióticos también son de resaltar, dentro de los cuales se encuentran enfermedades por patógenos como hongos, bacterias y virus, que atacan hojas, tallos, raíces y el grano (Ferris et al., 2002; ISAR, 2000).
Las pérdidas se estiman hasta 305,700 toneladas por año en África oriental (Musoni, 2006). Las enfermedades (mancha angular de la hoja, antracnosis, pudrición de raíz) que atacan al fríjol causan pérdidas anuales de 761,900 toneladas en el oriente de África (Wortmann et al., 1999). En Ruanda estas enfermedades causan pérdidas de 219,575 toneladas, equivalente a 89 millones de dólares por año (Musoni, op cit).
2.2.2.1 Producción y consumo
La producción de fríjol en Ruanda fluctuaba entre 150mil y 200mil toneladas al inicio de la década de los 70’s; a partir del año 1974 hubo un rápido incremento que llegó a tener su máximo valor en año de 1985 cuando se produjo más de 300mil toneladas; en el periodo comprendido entre 1998 y 2000 se encontró un total de 200mil y 300mil toneladas. Las epidemias de la enfermedad de pudrición de raíz y la guerra civil contribuyeron a la caída en la producción a mediados de los 90’s (Sperling, 2001); durante el periodo del 2000 al 2001 la producción tuvo un incremento, sin embargo los siguientes años hasta el 2004 por causa de problemas climáticos (aumento de lluvias) la producción se tuvo una amplia reducción (Comunicación Personal L. Butare investigador programa fríjol Ruanda CIAT, 2007). La figura 2 muestra las fluctuaciones de la producción anual de frijol entre 1979 y el 2004.
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Debido a este desconocimiento muchas personas de bajos recursos en África basan su alimentación en los cereales, papas blancas y yuca, estos alimentos generalmente presentan bajos niveles de micronutrientes (CIAT, 2005b). La deficiencia en hierro afecta a millones de individuos durante todo su ciclo de vida, en especial a los lactantes, niños pequeños y las mujeres embarazadas, pero igualmente a los niños mayores, los adolescentes y las mujeres en edad reproductiva; los organismos vivos requieren hierro para que sus células funcionen normalmente (Donovan & Bailey, op cit; OPS, 2002).
El hierro es necesario para el desarrollo de tejidos vitales —incluido el cerebro— y para transportar y almacenar oxígeno en la hemoglobina y la mioglobina muscular.
La anemia ferropénica es la forma grave de carencia de hierro, puede dar lugar a una baja resistencia a infecciones, limitaciones en el desarrollo psicomotor y la función cognoscitiva en los niños, bajo rendimiento académico, así como fatiga y una baja resistencia física y bajo rendimiento en el trabajo (OPS, 2002). La prevalencia de esta anemia por falta de hierro varia en África desde un 8% de la población en Etiopía, 67% en Tanzania hasta el 69% en Burundi (CIAT, 2005b).
Dietas deficientes en hierro frecuentemente son deficientes en zinc. Las consecuencias de la deficiencia de zinc pueden incluir crecimiento y desarrollo anormal, inmadurez sexual, complicaciones en el embarazo, mortalidad maternal e infantil, baja defensa inmunológica, por lo que hace necesario su consumo especialmente en personas que han sido diagnosticadas positivas para VIH/SIDA (Donovan & Bailey, 2005; Islam et al., 2002a). Sin embargo, la deficiencia de zinc es
un problema que hasta ahora se empieza a evidenciar como un serio tema de salud pública en los países de África (CIAT, 2005b).
2.2.2.3 Estrategias para combatir la problemática nutricional
Existen tres estrategias de intervención que pueden contribuir en la prevención y disminución del problema de deficiencia de micronutrientes en África:
abastecimiento con productos farmacéuticos a poblaciones vulnerables (micronutrientes), la fortificación de alimentos y el mejoramiento de la dieta (Biofortificación) (OPS, 2002).
La primera estrategia, es efectiva para lograr un acceso con facilidades médicas en grupos vulnerables. Sin embargo solo sería efectiva en un grupo pequeño y requiere de un gran capital y una elaborada y costosa red de distribución; por lo que dejaría por fuera a muchos grupos de riesgo que no podrían recibir dicho abastecimiento (CIAT, 2005b). La fortificación de alimentos ha tenido un grado limitado de éxito en África debido a que la industria de alimentos se encuentra subdesarrollada y carece de una efectiva legislación. Hasta el momento los programas de fortificación se encuentran operando en dos países de África oriental y central: Kenya y Uganda.
Este programa es más efectivo en áreas urbanas, dejando a un lado a comunidades pobres del área rural (HarvestPlus, 2006).
El mejoramiento de la dieta es probablemente la estrategia más efectiva y sostenible para reducir la deficiencia de micronutrientes en África. Ésta ayuda a incrementar la disponibilidad de alimentos, permite que exista consumo de alimentos ricos en minerales en poblaciones de alto riesgo (CIAT, 2005b). La Biofortificación (incremento de concentraciones de los principales micronutrientes), se logra con la creación de variedades superiores agronómicamente hablando, es decir con valor nutritivo mejorado o variedades que presenten características más atractivas para los agricultores, tales como tolerancia a sequía o baja fertilidad de suelo. La Biofortificación del fríjol común podría producir los mejores resultados en áreas donde el fríjol es el suplemento de una proporción significativa de nutrientes en la dieta. Estas áreas incluyen partes de África Oriental, Central y del Sur; y América Central y Brasil (HarvestPlus, 2006).
Dentro de este mejoramiento se incluye promover el consumo de fríjol en la dieta, por ser ésta una especie de amplia producción y consumo (especialmente en África oriental y central). Por tal razón en 1995 el CGIAR inició un proyecto que busca desarrollar variedades ricas en minerales (hierro y zinc) y vitaminas especialmente la A, (CIAT, 2005b). El contenido de minerales (hierro y zinc) y proteínas de los cultivares analizados dentro de este proyecto se muestran en la Tabla 4, al igual que algunas características morfoagronómicas (tipo de hábito de crecimiento, color y tamaño de semilla). Los datos de contenido de minerales fueron tomados a partir de método de ceniza y no están confirmados.
Tabla 4. Concentraciones de Hierro, Zinc y proteína en cultivares producidos en África Oriental, Central y del sur (CIAT, 2005b)
Cultivares ricos en micronutrientes
País de
origen Hábito de
crecimiento Color de Semilla
Tamaño
semilla Zinc
(ppm) Hierro
(ppm) Proteína (%)
AND 620 RDC Arbusto Rojo
Moteado Grande 38 147 20.4
GLP 2 Kenia Arbusto Rojo
Moteado Grande 28 124 16.2
G59/1-2 RDC Trepadora Café Grande 24 106 -
Kiangara RDC Trepadora Café Pequeña 44 104 20.1 LIB 1 RDC Trepadora Amarillo Mediana 52 94 20.8
MLB-49-98A RDC Arbusto Negro Pequeña 55 124 -
Naindeky RDC Arbusto Blanco Pequeña 30 106 21.4 VCB 87013 RDC Trepadora Blanco Pequeña 25 122 19.4
VNB 81010 RDC Trepadora Negro Pequeña 62 77 -
Cultivares ricos
en Proteínas País de
origen Hábito de
crecimiento Color de Semilla
Tamaño
semilla Zinc
(ppm) Hierro
(ppm) Proteína (%) Awash-1 Etiopia Arbusto Crema Pequeña 24 - 23 Awash Melka Etiopia Arbusto Blanco Pequeña 28 - 25.3
K 131 Uganda Arbusto Carioca Pequeña 31 - 25
VCB 81012 RDC Trepadora Café Mediana 32 86 26.4
RDC: República Democrática de Congo
Estos datos indican que existe un considerable potencial para el mejoramiento de proteínas y micronutrientes mediante la promoción del consumo de cultivares ricos
en estos nutrientes. Otros cultivares pueden ser mejorados a través de cruzas y programas de Fitomejoramiento.
2.2.3 Perspectivas del cultivo de Fríjol
Se requiere la adquisición y la adopción de nuevas tecnologías para el cultivo de fríjol, con el fin de mejorar su producción y elevar el consumo y comercio. Las investigaciones se enfocan hacía la creación de nuevas tecnologías generadas por los estudios en patología, agronomía y aspectos socio-económicos. Algunos de los avances se han centrado en generar nuevas variedades por programas de entrecruzamiento e investigaciones en colección (Ferris et al., 2002; ISAR, 2000).
Un avance adicional es una caracterización molecular de colecciones con el fin de conocer la base genética del germoplasma de estudio que permitan la adecuada selección de genotipos para cruzar con fuentes de alto contenido de minerales, proteínas o vitaminas en semilla.
2.3 DIVERSIDAD GENÉTICA Y ANALISIS MOLECULAR MEDIANTE MICROSATLITES
2.3.1 Marcadores Moleculares
Los marcadores moleculares son definidos como “todo y cualquier fenotipo molecular oriundo de la expresión de un gen o estado alélico” (Ferreira &
Grattapaglia, 1998); son herramientas que permiten conocer la variabilidad genética de un germoplasma. Existen diferentes tipos de marcadores: morfológicos, se refieren a rasgos fenotípicos; bioquímicos, incluyen variantes alélicas de enzimas llamadas isoenzimas; y marcadores de ADN que revelan sitios de variación del ADN. Las principales desventajas de los marcadores bioquímicos y morfológicos es que ellos están limitados en número y son influenciados por los factores ambientales o de la etapa de desarrollo de la planta. Sin embargo estos han sido de gran utilidad para los mejoradores (Winter & Kahl, 1995).
Los marcadores de ADN son el tipo de marcador más ampliamente usado debido a su abundancia. Ellos surgen de diferentes clases de mutaciones de ADN tales como
mutaciones por sustitución (mutaciones puntuales), rearreglos (inserciones o deleciones) o errores en la replicación de tandems de repetición del ADN. Estos marcadores son selectivamente neutrales ya que ellos usualmente están localizados en regiones no codificantes del ADN. Dentro de los usos de este tipo de marcadores se encuentran, la elaboración de mapas de ligamiento y la evaluación del nivel de diversidad genética (Collard et al., 2005).
Los marcadores moleculares pueden clasificarse en tres grupos de acuerdo a su fundamento: Marcadores basados en la hibridación del ADN, marcadores basados en la secuenciación de fragmentos de ADN y marcadores basados en la amplificación de fragmentos mediante la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) (Ferreira & Grattapaglia, 1998).
Estos últimos son generalmente menos costosos y revelan mayores cantidades de polimorfismo. La PCR está diseñada para amplificar ADN en procedimiento cíclico y automatizado el cual resulta en un incremento exponencial en la cantidad de una secuencia específica del ADN. La selección del fragmento de ADN para la amplificación es el resultado del alineamiento, en la cual un “primer” o cebador (5 a 30 bases de largo) se une a una cadena simple de ADN genómico presentada en la reacción. El complejo primer-ADN se convierte en el punto de inicio para la replicación de la secuencia de ADN adyacente por la intervención de una polimerasa termoestable en la reacción de esta mezcla (Reisch, 1998).
Uno de los marcadores más importantes basados en PCR son los microsatélites, fundamentados en el descubrimiento de secuencias simples repetidas (SSR) en el genoma; también se puede llamar ocasionalmente sitios de microsatélite de secuencia etiquetada (STMS) o polimorfismo de repeticiones de secuencia simple (SSRP) (Hajeer et al., 2000; Reisch, 1998). Estos hacen parte de los marcadores que permiten visualizar las diferencias genéticas entre individuos, organismos o especies. Generalmente ellos no representan genes “blanco” pero, sí actúan como señales o banderas. Estos marcadores están localizados cerca de los genes
“blanco” y no afectan el fenotipo del rasgo de interés porque ellos están simplemente localizados cerca de los genes que controlan el rasgo. Todos los
marcadores genéticos ocupan una posición específica dentro de los cromosomas (como los genes), llamados “loci” (en singular locus) (Collard et al., 2005)
Los microsatélites son repeticiones cortas en serie cuya secuencia básica tiene una longitud entre 1 y 10 pb, los más típicos de 2 a 4 pb. Son altamente variables y están distribuidos por igual en todo el genoma. Este tipo de ADN repetitivo es común en organismos eucariotas, y el número de unidades repetidas varía ampliamente entre los organismos, hallándose en algunos hasta 50 copias o más de la unidad repetida. Para identificar estos polimorfismos, se construyen cebadores o primers para la amplificación mediante PCR de la región del ADN que flanquea el microsatélite. Las regiones adyacentes a los microsatélites tienden a conservarse dentro de las especies, aunque a veces se conservan también en niveles taxonómicos mayores (Hajeer et al., 2000)
La variación en tamaño de los productos de la PCR para un microsatélite se debe a las diferencias en el número de las unidades repetidas en el locus. El polimorfismo de los microsatélites es generado por la pérdida o ganancia de repeticiones, aunque se cree que se deba en mayor medida a la ganancia. Éste fenómeno no es conocido completamente, pero se piensa que esta expansión es debida a procesos de mutación durante la replicación (Roizès, 2000).
Los polimorfismos de SSR se pueden visualizar mediante electroforesis en geles de agarosa o de poliacrilamida. Los alelos del microsatélite se detectan usando diversos métodos: tinción con bromuro de etidio, nitrato de plata, radioisótopos o fluorescencia. Si se usan cebadores marcados con fluorescencia, y los productos son suficientemente diferentes en tamaño y no se sobreponen, se pueden generar varios productos de forma simultánea, lo que aumenta enormemente la eficiencia de estos marcadores (Dean et al., 1999).
Debido a que estos marcadores presentan grandes ventajas fueron seleccionados para este estudio. Dentro de estas características se encuentran: alto poder discriminatorio, ofrecen gran cantidad de información por su naturaleza multialélica, son codominantes, reproducibles, tienen herencia mendeliana, tienen relativa abundancia con una cobertura uniforme del genoma y presentan fácil detección
