Apomixis, ¿un fenómeno en proceso de adopción natural en maíz

Apomixis, ¿un fenómeno en proceso de adopción natural en maíz?
Is maize in a trend of natural adoption of apomixis?
José Espinoza Velázquez1, Humberto de León castillo1
Resumen
Se informa aquí de posibles mecanismos especiales para la formación de
semilla en dos poblaciones de maíz, BAP (enana) y NAP (normal), seleccionadas
originalmente para alta frecuencia poliembriónica (PE, 50 a 60%), encontrando
además poliploidía en BAP (2n = 3X = 30). La experimentación se llevó a cabo en
lotes aislados, ambas poblaciones, con el objeto de incrementar la frecuencia PE y
aplicar tres modalidades de aislamiento-protección de jilotes que impidieran la
fecundación por polen en el ambiente; una modalidad incluyó la adición de polen
deshidratado sólo para simular efecto de polinización; tratamientos con tres
repeticiones, 15 plantas por repetición. Los resultados demuestran una incidencia
general entre 15 y 51% de granos formados sin que para ello mediara la
polinización; el tratamiento con polen deshidratado obstruyó pero no impidió (P
.10) la formación de grano, afectando aparentemente la penetrancia del fenómeno.
El número de granos presentes en mazorcas positivas fue variable, prevaleciendo
los casos de menos de 10 semillas; la proporción de mazorcas con más de 10
semillas fue de 44% en BAP, y 25% en NAP. Los granos en el olote se dispusieron
de manera aleatoria, pero localizados mayormente en el segundo tercio del
mismo. Los datos indican que la proporción de mazorcas con grano fue superior al
que pudiera esperarse por contaminación de polen en el manejo artificial de la
reproducción en maíz, generando una base creíble para plantear que BAP y NAP
contienen mecanismos de reproducción no-sexuales que podrían referirse a una
fuente apomíctica maíz-maíz para estudios básicos y aplicados en el tema.
Palabras clave: Zea mays L., poliembrionía, reproducción asexual, poliploidía.
Abstract
There is a possibility that non-sexual mechanisms are taking place in two
maize populations, named here as BAP, dwarf and NAP, normal, originally
selected favoring polyembryony (PE) to actual frequencies of 50 to 60%; it has
been also detected polyploidy (2n=3X=30) in BAP. Experimentation on these
populations was made using isolated pollination fields to increase PE frequency
and to apply three procedures (three traits, three replicates, 15 plants per
replication) on silks covering thought as physical barriers to avoid pollination; one
of the traits included the addition of dehydrated pollen simulating pollination.
Results showed among 15% and 51% incidence of ears with grains, formed
without natural or forced pollination. The dehydrated pollen trait obstructed but not
Instituto Mexicano del Maíz “Dr. Mario E. Castro Gil” Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Buenavista, Saltillo,
Coahuila. México. C.P. 25315; jespvel@uaaan.mx
1
245
impeded grain formation (P.10) acting more likely as an obstacle on penetrance
of the trait. Variation in grain number was also found, prevailed the cases of ears
with less than 10 seeds; proportions of higher seed numbers were 44% in BAP and
25% in NAP. The ear grain distribution was at random but located mostly on the
second third of the cob length. As seen, the proportion of grained ears found in the
purposely covered silks-ears was higher than the expected by mishandling artificial
maize pollination; indeed, results are a good evidence for some non-sexual
mechanism which is occurring in BAP and NAP populations along with sexual
reproduction, and they might be taken as a maize sources of certain class of
apomixis for basic and applied research.
Key words: Zea mays L., polyembryony, asexual reproduction, polypoidy.
Introducción
La apomixis se ha colocado como un fenómeno relevante en la agricultura
ante la posibilidad de transformar cultivos de importancia mundial, normalmente de
reproducción sexual, en clones de procedencia materna, apomícticos, condición
que confiere ventajas de aplicación agrícola, como de alguna forma lo señalan
Koltunow y Grossniklaus (2003).
Lo que algunos han llamado el “sueño” en la mejora de plantas (Becker
1998; GRAIN, 2001; Perotti et al, 2004) ha merecido atención los últimos 40 a 50
años, generándose conocimiento relevante en desarrollo del óvulo, embrión y
endospermo, fenómenos clave en la formación de semilla, tanto en plantas
sexuales como apomícticas (Koltunow y Grossniklaus, 2003); sin embargo, como
lo declaran Perotti et al. (2004), los métodos convencionales de mejoramiento han
fallado en lograr la anunciada transferencia de la apomixis observada en especies
silvestres a cultivos agrícolas; es todavía una expectativa que la ingeniería de la
apomixis puede redituar en un mayor conocimiento de la reproducción sexual y su
eventual manipulación.
El conocimiento actual de especies naturalmente apomicticas indica que
éstas son también poliploides y de manifestación apomictica facultativa, es decir
que las plantas hembra producen proporciones variables de semillas de origen
tanto sexual como asexual en sus estructuras florales, y que la dotación
cromosómica en ellas es de tres o más juegos completos (Grimanelli et al, 2001;
GRAIN, 2001; Perotti et al, 2004); otra característica concurrente es la de semilla
poliembrionica (Koltunow 1993), condición de dos o más embriones por semilla,
los cuales pueden ser de origen sexual o asexual.
El maíz, especie de reproducción sexual, considerada diploide de 20
cromosomas, sin ejemplares silvestres conocidos, completamente domesticado,
es uno de los cultivos candidato a ser “apomixizado”; trabajos en este sentido se
ha venido desarrollando desde los años sesenta; los más publicitados son los del
ARS-USDA (Becker 1998; Bretting 1999), organismo gubernamental que logró
patentes para sus “Apomictic maize” y supuestos genes que lo influyen; y el
CIMMYT en convenio con ORSTOM-IRD de Francia (Savidan 1998) quienes
también obtienen patentes relativas a sus hallazgos en la introgresión MaizTripsacum. El ARS-USDA otorga a Bryan Kindiger (norteamericano) y a Victor
Sokolov (ruso) el crédito como co-inventores de sus maíces apomícticos;
246
publicaciones relativamente recientes de estos investigadores relatan la
incapacidad de esos maíces apomicticos de tener un comportamiento de maíz
común (Kindiger, 2001; Sokolov, 2001). De las publicaciones de investigadores en
CIMMYT sobre el tema destaca la de Perotti et al (2004) señalando que la fallida
recuperación de cultivos apomícticos transformados pudiera ser una consecuencia
directa de la complejidad genética de la apomixis y su relación con todo el fondo
genético en el que se inserta.
De acuerdo con Savidan (2000) la apomixis se origina por la expresión a
destiempo y fuera de lugar (ectópica) de genes que regulan el desarrollo del
embrión, los cuales se activan antes de lo que ocurre en el proceso sexual; ésta
activación puede darse incluso en células que normalmente no participan en el
proceso reproductivo; aún más, la expresión ectópica sólo resulta en apomixis si
ésta actúa en un fondo genético favorable.
Investigación molecular-genómica se está aplicando en el tema, como lo
señalan Koltunow y Grossinklaus (2003) y Perotti et al (2004). Los trabajos sobre
apomixis en maíz utilizan generalmente fuentes externas donadoras del
fenómeno, principalmente de Tripsacum dactyloides, graminea silvestre,
apomíctico facultativo, poliploide 2n=4x= 72 cromosomas, que como donador
puede ser excelente, pero que ha impedido la recuperación exitosa de “tipos
maíz” aprovechables; quizá esta sea la causa para señalar la necesidad de un
fondo genomial “favorable”, condición que no se ha dado en mucho tiempo con la
estrategia de hibridación Maíz-Tripsacum.
La apomixis, complejidad reproductiva derivada de la sexualidad en plantas,
va regularmente acompañada de poliploidía y de poliembrionía. En algunas
poblaciones de maíz que muestran estas dos últimas características, la cuestión
es si existen fuentes genéticas directas dentro de ellas para la expresión de
apomixis; de ser así, no se requeriría obtenerla de parientes u otras fuentes.
También se superarían las barreras que presenta un fondo genomial desfavorable
como el heredado de cruzas Maíz-Tripsacum.
En este trabajo partimos de los maíces UAAAN-IMM-BAP y UAAAN-IMMNAP, poblaciones aquí obtenidas, y las cuales concentran el fenómeno
poliembrionía en frecuencias de 50 a 60%; producen granos de alta calidad
nutrimental (Espinoza et al, 2004; Valdez et al, 2004); y en el caso de BAP se ha
podido documentar la ocurrencia de poliploidía (Espinoza et al, 2000). Con base
en estas cualidades se plantea que los grupos genéticos referidos tienen el
potencial generador de apomixis y por lo tanto, pueden llegar a constituirse en una
fuente de los mecanismos genéticos funcionales de la apomixis en maíz. En
preparación para estudios de mayor precisión, los trabajos actuales se basan en
observaciones directas bajo condiciones de campo, en lotes-vivero para el
incremento de las poblaciones. Este artículo presenta información de la incidencia
y distribución de granos en mazorcas donde sus jilotes de origen fueron
físicamente impedidos para recibir polen, o recibieron polen deshidratado sólo
como una simulación de la polinización.
Metodología experimental
247
Las poblaciones base del proyecto se incrementaron en segundo ciclo de
recombinación, practicada con 4 mil a 5 mil plantas, en lotes aislados durante el
ciclo P-V/2004 en Buenavista, Saltillo; de aquí se seleccionaron de 300 a 350
familias de medio hermanos (FMH) representando los mejores tipos de cada
grupo, es decir las poblaciones de alta poliembrionía (PE), denominadas BAP y
NAP, así como las de baja PE, denominadas BBP y NBP; luego, a partir de estas
FMH, aplicando una presión de selección de 10%, se retuvieron a las mejores 30
familias, calificadas por su condición sobresaliente en sanidad, frecuencias de PE
y germinación, tipo de grano y mazorca. El grupo selecto de FMH de BAP y NAP
se sembraron en Tepalcingo, Morelos durante el ciclo O-I/2004-2005 con la
finalidad de incrementar la disponibilidad de semilla y dar cumplimiento a los
términos del convenio UAAAN- COECYT-COAH.-CONACYT, sobre la entrega de
dos muestras poblacionales de prototipos de maíces poliembriónicos.
En cada uno de los lotes BAP y NAP desarrollados en 2004, se realizó la
practica de cubrir de una manera segura a 135 jilotes, electos al azar, con la
finalidad de utilizarlos en la aplicación de tres tratamientos de manejo
reproductivo, donde se evitaría la polinización regular, propia del maíz. Una vez
cubiertos los jilotes, las plantas madres se delimitaron en grupos de 15, formando
así nueve unidades experimentales para recibir la asignación de manera aleatoria
a tres tratamientos, tres repeticiones cada uno; los jilotes participantes fueron de
pelo abundante y fresco, protegidos por la bolsa encerada (glacin) que los aisló del
polen circundante; al recibir los tratamientos, se recubrieron con bolsa de papel, la
usual en el manejo reproductivo de maíz; los tratamientos fueron como sigue: 1)
protección del jilote desde su aparición con bolsa encerada, firmemente sujeta, recubierta con bolsa de polinizar en posición invertida y sujeta al tallo, cerrando
completamente, evitando aberturas; 2) igual que en (1) pero agregando al jilote
una porción de polen deshidratado al ambiente, colectado de plantas fértiles cinco
días antes del tratamiento; y 3) como en polinizaciones normales, jilotes cubiertos
con glacin, y re-cubiertos con bolsa de papel, sujetándola al tallo por una grapa,
sin cierre hermético.
En todos los casos, el manejo de los jilotes se practicó el mismo día,
después de las 18:00 horas. Los datos colectados se refieren a la frecuencia de
casos con granos, así como al número y posición de ellos en el olote, en cada
tratamiento. El diseño experimental fue uno completamente al azar, tres
tratamientos y tres repeticiones (promedio de 15 plantas por repetición); análisis
de varianza de acuerdo al diseño.
Resultados y discusión
Las poblaciones de interés poliembriónico mantuvieron su nivel de
frecuencia PE, alto en los casos de BAP y NAP, y bajo en los casos de BBP y
NBP (Cuadro 1); comportamiento semejante y deseable mantuvieron las dos
poblaciones BAP y NAP incrementadas vía cruzas meso-fraternales en
Tepalcingo, Mor. (Cuadro 2). Los dos ciclos de recombinación en lotes aislados de
los primeros cuatro grupos de selección (alta PE: BAP y NAP; baja PE: BBP y
NBP) se practicaron buscando que los fondos genéticos correspondientes lograran
la estabilización con respecto a los loci que concurren o se involucran en la
248
poliembrionía, y de otros que pudieran estar asociados a ella, principalmente los
que influyen la reproducción y calidad de semilla.
Cuadro 1. Frecuencias promedio de germinación y poliembrionía, datos de campo e
invernadero, poblaciones de interés poliembriónico. UAAAN, P-V / 2004.
Población
P3óMás
BAP
9
Núm. de
FMH
Núm. semillas
Por FMH
2241
49  1
96  7
70  9
97
15 
33
348  8
71  14
59  11
64
14 
203
48  1
97  6
72  6
84
19 
29
258  9
69  12
61  10
12  5
16 
210
49  1
99  2
2.5  3
0
3
31
257  18
80  9
4.5  1
0
6
220
50  1
99  1
1.4  3
0
1
32
209  2
92  5
3.5  1
0
5
PG
PPE
PDEF
3
NAP
6
7
BBP
3
1
NBP
2
4
1
Dato superior , invernadero; inferior, resultados en campo. BAP = población braquítica de alta poliembrionía; BBP, de
baja PE; NAP = población talla normal, alta poliembrionía; NBP, de baja PE. PG = % germinación; PPE = % de
poliembrionía; PDEF = % plántulas anormales; P3ómás = % de semilla de 3 ó más plantas.
Cuadro 2. Características en campo de compuestos balanceados de las poblaciones de
maíz, alta poliembrionía, Tepalcingo, Morelos, O-I, 2004 / 2005.
Núm. de
Núm. semillas
249
FMHS1
Por FMHS
BAP
33
130
74  6
58  6
13  5
15  6
NAP
29
150
78  7
57  4
10  3
23  9
Población
P3óMás
PG
PPE
PDEF
1 FMHS = Familias de medio hermanos selectas para generar el siguiente ciclo.
Los resultados numérico-estadísticos relativos a los tratamientos de jilotes
de las poblaciones BAP y NAP, manejados para observar su capacidad de formar
granos sin la polinización natural o premeditada, se presentan en Cuadro 3. Como
lo señalaron Espinoza et al (2000) ante el caso de maíces BAP triplodes
(2n=3X=30) en frecuencia de 7.1%, existe la posibilidad que esta poliploidía se
debiera a células germinales no reducidas (apomeiosis) y fertilizadas por el núcleo
generador del polen, por lo que parece más que una simple coincidencia que en
esta misma BAP, la frecuencia de casos con semilla (al menos una) en mazorcas
maduras, originalmente jilotes protegidos, esté en la banda de 15 y 35%, cifras
mayores a lo esperado por contaminación esporádica en manejo de
polinizaciones. Por otra parte, la población NAP presentó datos todavía más
contundentes, exhibiendo la formación de uno o más granos en jilotes no
polinizados en frecuencias de 24 a 51% de los casos. En las dos poblaciones, los
tratamientos sin polen deshidratado son iguales entre sí, pero presentan valores
más altos de mazorcas con semilla que los exhibidos por el tratamiento con polen
muerto (P  .10); las evidencias indican que la adición de este tipo de polen
obstruyó significativamente, más no impidió, la manifestación de casos de semillas
en jilotes protegidos; el caso presenta analogía con afectación de la penetrancia
de los genes involucrados en el control de esta condición genética.
Los casos de mazorcas con menos de 10 granos fue el mayoritario en todos
los tratamientos; de hecho, la proporción general de mazorcas con 10 ó más
semillas en NAP sólo alcanzó 24% del total de mazorcas efectivas, mientras que
en BAP el dato fue ligeramente mayor (35%). La ocurrencia de estos casos
permitirán el estudio de parecido genético y fenotípico de estas familias.
Por otra parte, el número total de granos obtenidos de mazorcas efectivas
en NAP fue de 377 en NAP y de 558 en BAP; recordando que el número de jilotes
utilizados en el experimento en cada población fue de 135, el promedio general de
granos en NAP fue de 2.8 por mazorca (incluyendo efectivas y vacías), y de 4.1 en
BAP. Utilizando esta información y tomando en cuenta que una mazorca
promedio, generada de manera normal, contienen de 350 a 400 semillas, se
puede calcular que la frecuencia de granos originados por la supuesta vía nosexual es del orden de 0.7% (NAP) y 1% (BAP), las cuales son proporciones muy
altas para considerarlas como mutación fortuita en la reproducción de estos
maíces. También de interés el hecho de que la distribución de los granos en el
olote fue aleatoria, y de preferencia en el segundo tercio de la mazorca; la
conjugación de toda esta información pudiera indicar que en BAP y NAP, el
conjunto floral de las mazorcas productivas tienen la capacidad de desarrollar
250
granos tanto por la vía sexual como no-sexual, siguiendo un patrón especial que
les es común.
Cuadro 3. Análisis de varianza1 y proporción de semillas presentes en mazorcas sin la
ocurrencia de polinización en poblaciones poliembriónicas. UAAAN, 2004.
Indicador
Población BAP
CGJP
NGMP
Población NAP
CGJP
NGMP
Cuadrados medios tratamientos
2.23 *
NS
Cuadrados medios error experimental .543
CV (%)
18.7
Media general (%)
28.1
Media tratamiento 1 (%)
35.6
Media tratamiento 2 (%)
15.6
Media tratamiento 3 (%)
33.2
2065.3 NS
3.04 *
602.23
39.6
62.0
80.7
32.0
73.3
.76
18.0
40.7
51.1
24.4
46.7
356.7
449.9
50.6
41.9
47.3
29.3
49.0
Datos transformación seno-1 x . CGJP = Variable: proporción de granos en jilotes protegidos. NGMP = Número de
granos en jilotes-mazorcas protegidas. *, significación estadística al 10 %.
1
Conclusiones
Con base en el historial poliembriónico y poliploide de estas poblaciones, y
los resultados de este trabajo preliminar sobre conducta reproductiva atípica en
maíz, se puede plantear que las poblaciones de maíz PE, BAP y NAP poseen
capacidades de reproducción asexual por semilla, en el lindero de alguna
modalidad de apomixis: De corroborarse estas cualidades en las poblaciones de
referencia, se contaría con una fuente maíz-maíz para estudios y aplicaciones
reproductivas especiales en la especie.
Literatura citada
Becker H (1998). Revolutionizing hybrid corn production. Agricultural Research Magazine. 46(12):
10-11. Dec., 1998.
Bretting P (1999). Briefing paper issue: Apomictic maize – A promising advance in hybrid seed
production. Agricultural research Service – United States Agricultural Department, USA.
www.ars.usda.gov/misc/apomixis.htm.
Espinoza Velázquez J; J Sánchez Laureano y F Ramírez Godina (2000). Triploides encontrados en
maíces poliembriónicos. In: Zavala G, F; R Ortega P; J A Mejía C; I Benitez R; y H Guillén
A (eds). Memorias del XVIII Congreso Nacional de Fitogenética: Notas Científicas.
SOMEFI. Chapingo, México. p 274.
Espinoza Velázquez J; L E Valdez Lara; M L Reyes Vega (2004). Calidad nutricional del grano en
poblaciones de maíz poliembriónico. In: J Valdés R (ed). Resultados de Proyectos de
Investigación; Dirección de Investigación, Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro,
Buenavista, Saltillo, México. ISSBN 968-844-032-9.
GRAIN (2001). Apomixis: the plant breeder´s dream. Seedling 18 (3): 1-16 Grain publications,
Sept. 2001.
Grimanelli D; Leblanc O; Perotti E and Grossniklaus U (2001). Developmental genetics of
gametophityc apomixis. Trends in Genetics 17: 597-604.
251
Kindiger B K (2001). Reproductive characteristics of apomictic Maize-Tripsacum hybrids.
Cooperative Activities of the US – Japan Natural Resources Forage Seed Panel Vol (2): 2436.
Koltunow A M and U Grossniklaus (2003). Apomixis: A developmental perspective. Annual Rev
Plant Biol 54: 547-574.
Koltunow A M (1993). Apomixis: embryo sacs and embryos formed without meiosis or fertilization in
ovules. The Plant Cell 5: 1425-1437.
Perotti E; D Grimanelli; P John; D Hoinsington and O Leblanc (2004). Why is transferring apomixis
to crops still a dream? In: New Directions for a Diverse Planet. 4th International Crop
Science Congress. Brisbane, Australia; Sept 26 – Oct 1, 2004.
Savidan Y (1998). CIMMYT News Release: Scientist announces a breakthrough in research on
“asexual” maize. CIMMYT. El Batan, Mexico. México, D. F.
Savidan Y (2000). L´apomixie, ou le clonage par les graines. Biofutur No. 198. March, 2000.
Sokolov V A and I Khatipova (2001). Apomictic maize: problems and perspectives. In: Book of
Programme and Abstracts of the 2 nd. International Apomixis Conference; p 28. Como, Italy.
April 24-28, 2001. 167 pages.
Valdez Lara, L; J Espinoza Velázquez; A F Aguilera y M L Reyes Vega (2004). Fatty acids in
polyembryonic maize. Abstract. The International Food Technologyst, 2004 Annual Meeting. July
12-16, 2004. Las Vegas, Nevada.
252