CARACTERIZACION MORFO-FENOLÓGICA PRELIMINAR DEL GERMOPLASMA NATIVO DE QUINOA (Chenopodium quinoa Willd) DEL NOROESTE ARGENTINO (NOA)

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1 CARACTERIZACION MORFO-FENOLÓGICA PRELIMINAR DEL GERMOPLASMA NATIVO DE QUINOA (Chenopodium quinoa Willd) DEL NOROESTE ARGENTINO (NOA) RESUMEN Ramiro N. Curti 1*, HD Bertero 1, AJ Andrade 2, B Velásquez 3, S Bramardi 4 Este trabajo describe, en base a una selección de descriptores cuantitativos para quinoa elaborados por IPGRI, 34 poblaciones locales de quinoa del Noroeste Argentino (NOA). Los datos fueron analizados con técnicas descriptivas y multivariadas. Se observó variación para características morfofenológicas entre accesiones procedentes de tres tipos de ambiente de origen: valles orientales (más húmedos), valles secos (Quebrada de Humahuaca) y altiplano. El Análisis de Componentes Principales (ACP) diferenció en el primer componente (CP1, 49,29% de la variación explicada) entre materiales de altiplano y aquellos de quebrada+valles orientales y en el segundo componente (CP2, 14,31%) entre materiales de Quebrada y Valles Orientales. El análisis de conglomerados fue congruente con el ACP en el agrupamiento de las distintas accesiones. Palabras claves: Noroeste Argentino, IPGRI, Análisis de Componentes Principales (ACP), Análisis de Conglomerados. INTRODUCCION El germoplasma de quinoa y especies afines consiste de un conjunto de genotipos y poblaciones de especies y subespecies silvestres (C. berlandieri, C. hircinum, C. quinoa spp. melanospermun), razas locales y cultivares de alto rendimiento (C. quinoa spp. quinoa). Rojas (2003), Ortiz et al. (1998) y Fuentes et al. (2009) realizaron caracterizaciones para accesiones de Bolivia, Perú y Chile, respectivamente. Rojas (2003) diferenció entre 5 grupos de accesiones de origen altiplánico y 2 de valles orientales y entre las variables mas importantes mencionó al tiempo a floración y madurez fisiológica, índice de cosecha, el diámetro y peso de granos. Trabajos posteriores compararon quinoas chilenas originarias del altiplano (Región I y II) con otras de Nivel del Mar cultivadas a mayor latitud (VI a X región) mediante marcadores microsatelitales y separaron dos grupos, de altiplano y costero, diferenciando dos subgrupos dentro de las quínoas de nivel del mar (uno de mas al norte y otro de la región de la Araucanía (X) (Fuentes et al. 2009). Utilizando esta misma metodología Christensen et al. (2007), caracterizaron 152 accesiones de quínoas andinas, de nivel del mar y una colección de origen incierto. Mediante análisis de conglomerados separó accesiones Andinas de las de Nivel del Mar y dentro del primer grupo entre Norandinas y Surandinas. Las poblaciones chilenas fueron más semejantes a las de Argentina y Bolivia que a las de Perú y Ecuador. Estos autores, en base a los patrones de similitud genética y el agrupamiento de las accesiones, propusieron que el origen de los materiales nativos del Noroeste Argentino (NOA) podría representar introducciones de materiales procedentes del sur de Bolivia o reintroducciones de ecotipos del nivel del mar. No existe un estudio descriptivo de la diversidad genética de quinoa del NOA ya que solo unas pocas accesiones se incluyeron en algunos de los trabajos previos (Rojas 2003; Christensen et al. 2007), no reflejando la variabilidad existente en la región. Las accesiones nativas se distribuyen sobre regiones occidentales (altiplano o puna) y orientales (valles y quebradas) y caracterizaciones preliminares detectaron diferencias morfo-fenológicas entre las mismas (A. Andrade, com. pers.). 1 Departamento de Producción Vegetal, Facultad de Agronomía Universidad de Buenos Aires (UBA). 2 EEA INTA Abra Pampa. 3 Cátedra de Fisiología Vegetal, Universidad Nacional de Jujuy (UNJu). 4 Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales, Universidad Nacional de La Plata (UNLP). *rcurti@agro.uba.ar

2 Dado que caracterizaciones previas de la especie encontraron una importante asociación entre la variabilidad ambiental y aquella para características de las poblaciones cultivadas de la especie, la heterogeneidad ambiental de los sitios de colección de quinoa en el NOA permite suponer que se observarían importantes diferencias morfo-fenológicas entre materiales de diferentes orígenes eco-geográficos. OBJETIVOS Describir la variabilidad genética en términos morfo-fenológicos para accesiones de quinoa del NOA. 1. Estimar el grado de asociación entre las distintas variables morfo-fenológicas mediante el coeficiente de Pearson. 2. Describir patrones de variación natural mediante derivación de componentes ortogonales por análisis de componentes principales (ACP). 3. Clasificar en grupos accesiones similares mediante análisis de conglomerados. MATERIALES Y MÉTODOS Sitio de estudio La caracterización del germoplasma se llevó a cabo durante la campaña en una zona de producción de quinoa en la localidad de Calete, Depto. Humahuaca (23º 12 S, 65º 20 W; 2939 msnm. Jujuy-Argentina). Las condiciones de precipitación y temperatura media durante los meses del ensayo fueron de 168 mm y 12 ºC, respectivamente. Accesiones de Germoplasma y descriptores Se utilizó la lista de descriptores de la especie (IPGRI 1983) y, de la colección de germoplasma nativo (90 accesiones), se seleccionaron 34 para esta evaluación (Tabla 1). El rango geográfico de origen de las accesiones abarcó la distribución del cultivo en el NOA (valles orientales con amplio rango de altitud en distancias cortas, quebrada y altiplano), latitudinalmente (entre 22º10 S y 25º14 S), longitudinalmente (e. 64º58 W y 67º31 W) y altitudinalmente (e y 4012 msnm) observándose entre zonas un patrón este-oeste de disminución en las precipitaciones. Los estadíos de desarrollo fueron determinados como: emergencia, botón floral visible, primera antesis (al menos una flor abierta), y madurez fisiológica (determinado visualmente del examen de las semillas en el tercio medio de la inflorescencia); el número de ramas principales se determinó sobre el tallo principal. Tabla 1. Origen y Número de accesiones del germoplasma de quínoa procedente de Jujuy y Salta (16 y 18 accesiones respectivamente). País de origen Provincia Departamento Número de Accesiones Valle Grande 1 Maimará 1 Cochinoca 1 Jujuy Yavi 2 Susques 2 Argentina Tilcara 3 Humahuaca 7 Los Andes 2 Salta La Poma 1 Iruya 3 SantaVictoria 11

3 Análisis estadísticos Los análisis estadísticos descriptivos (media, desvió estándar, rango y coeficiente de variación y de Pearson), y los multivariados (Análisis de Componentes Principales, conglomerados (análisis de cluster) se realizaron mediante los programas InfoStat y PCORD. El análisis jerárquico de conglomerados se realizó mediante el método de agrupamiento de Ward y utilizando la medida de distancia Euclídea. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Parámetros estadísticos descriptivos La tabla 2 resume los parámetros estadísticos descriptivos estimados para cada descriptor (14 variables) con su respectiva escala de medida. Se observó un amplio rango de variación para características fenológicas (días a botón floral, días a floración y días a madurez fisiológica) y morfológicas (número de ramas principales, longitud y ancho de la hoja media, longitud del pecíolo, longitud de la panoja y altura de la planta). Por otro lado, dichas variables presentaron mayor magnitud de variación con respecto a la media (DS y CV, Tabla 2). Los parámetros estadísticos describen la variabilidad de las accesiones brindando una idea clara de la magnitud de la diversidad entre los descriptores y a la vez resultan útiles para fines de mejoramiento. Ortiz et al. (1998) informaron que todos los descriptores utilizados en la caracterización de las accesiones de Perú presentaron variación geográfica demostrando que la diversidad fenotípica variaba siguiendo un patrón ambiental. Por otro lado, Rojas (2003) diferenció entre materiales de diferentes orígenes dentro de la colección de Bolivia sobre la base de una lista de descriptores del IPGRI modificada. Nuestros resultados concuerdan con estas caracterizaciones previas; el comportamiento fenológico y las variables morfológicas asociadas con el hábito de crecimiento y la morfometría de la hoja presentaron la mayor variación entre las accesiones de distintos orígenes geográficos. Coeficientes de correlación de Pearson El cálculo de los coeficientes de correlación de Pearson facilita estudiar las asociaciones entre las variables morfo-fenológicas. De los 98 coeficientes de correlación calculados solo 33 resultaron significativos (P < 0,05) y se consideró aquellos que describieron una relación lineal (r 0,4). Tabla 2. Parámetros estadísticos (Rango, media, Desvío estándar DS y coeficiente de variación CV) para 10 descriptores cuantitativos y 4 fenológicos. Descriptor Unidad Rango Media DS CV (%) Ramas principales Nº 0,00-24,00 8,71 8,16 93,77 Diámetro de Tallo 2,80-9,29 6,23 1,74 27,89 Longitud de pecíolo 16,45-59,28 40,15 12,11 30,17 Longitud de hoja media 33,30-94,41 65,87 16,00 24,29 Ancho de hoja media mm. 26,39-75,83 54,25 13,70 25,24 Longitud de glomérulo 5,12-11,89 9,26 2,05 22,15 Longitud de cotiledones 9,38-19,79 15,95 2,40 15,04 Longitud de hipocotílo 13,91-22,15 18,97 2,06 10,83 Longitud de Panoja 5,07-61,44 32,04 13,21 41,24 cm. Altura de planta 23,20-181,01 114,65 50,69 44,21 Siembra-Emergencia 5,00-10,00 7,85 1,84 23,49 Siembra-Botón floral 18,00-71,00 41,88 15,52 37,05 días Siembra-Floración 33,00-95,00 65,53 16,78 25,60 Siembra-Madurez fisiológica 88,00-217,00 158,21 26,15 16,53

4 El tiempo hasta botón floral y aquel hasta floración fueron las variables fenológicas con mayor coeficiente de correlación (r = 0,88). Las características que presentaron correlaciones significativas con los días a floración fueron la longitud del ciclo total (r = 0,85), el diámetro del tallo (r = 0,62), la altura de la planta (r = 0,90), la longitud (r = 0,55) y el diámetro (r = 0,57) de la hoja media, respectivamente. Estas asociaciones positivas pueden ser interpretadas indicando que las plantas son mas altas y el diámetro de su tallo mayor a medida que su ciclo fenológico es mas largo, posiblemente asociado a su mayor acumulación de biomasa (Rojas 2003). Las accesiones de Quebrada de Humahuaca y valles orientales de menor altitud presentaron mayor altura, alto número de ramas y glomérulos mas largos que los materiales de altiplano de ciclo corto. Las asociaciones positivas entre el inicio de floración y el número de ramas (r = 0,54) y entre la primera y el ancho de la hoja media (r = 0,55) indican que las accesiones de floración tardía desarrollan más ramas y a su vez hojas más anchas. Ortiz et al. (1998) observaron que la altitud de origen afectó en diferente grado la biomasa aérea, la altura y el rendimiento entre las accesiones cultivadas tradicionalmente en los valles del norte de Perú, con respecto a las circumlacustres de alrededor del Lago Titicaca. Por otro lado, Rojas (2003) también describió relaciones positivas entre atributos de arquitectura y longitud del ciclo fisiológico y negativas con el rendimiento observando una tendencia a mayor tamaño y menor rendimiento asociado a una menor partición reproductiva (índice de cosecha)) para las accesiones de valles de la colección de Bolivia. Análisis de componentes principales (ACP) y de conglomerados El ACP y el de conglomerados (cluster) son herramientas de análisis multivariado que permiten analizar mediante valores (autovalores y autovectores) y gráficos (biplot, dendrogramas) las relaciones entre las accesiones para diferentes variables como también las relaciones entre las variables que determinan distintos agrupamientos naturales. El ACP deriva contrastes ortogonales (componentes principales) donde ordena a las accesiones de acuerdo a scores (autovector) calculados de la matriz de covarianzas o correlaciones; mientras que los conglomerados forma grupos derivados de la comparación de distancia entre pares de accesiones para todas las variables. De acuerdo al criterio de Kaiser (citado por Rojas 2003), el autovalor de un componente principal debe ser superior a 1 para aportar información a la variación explicada. El ACP identificó tres componentes principales con autovalores superiores a 1 y los restantes por debajo de cero, que en total explicaron el 70,64 % de la variación. El componente principal 1 (CP1) explicó el mayor porcentaje de la variación (46,29%) y ordenó a las accesiones sobre un contraste entre variables morfofenológicas de planta y plántula. Los autovectores de emergencia y longitud del hipocótilo fueron positivos mientras que la mayoría de los autovectores morfo-fenológicos de plantas adultas fueron negativos. Sobre ese componente se ordenaron hacia la derecha del gráfico (Figura 1) accesiones cuya emergencia fue rápida y presentaron mayor longitud del eje del hipocótilo pero a su vez valores mas bajos para todas las variables morfológicas (diámetro de tallo, largo y ancho de hoja, longitud del pecíolo, panoja, glomérulos y altura de planta) y fenológicas (duración en días entre siembra-botón floral, siembra-floración y siembramadurez fisiológica). Muchas de las accesiones ubicadas en este extremo del eje provienen del altiplano (420, 427, 432, 426, 431). En la porción intermedia del CP1 se ubicaron accesiones de valles orientales de altura (superior a los 3000 msnm) (465, 466, 468, 482, 481, 256, 261) cuyas variables morfo-fenológicas determinaron su ordenación junto con los materiales de origen altiplánico. En el otro extremo se ubicaron accesiones de valles orientales de menor altura (<3000 msnm) (212, 452, 458, 456, 451) y todas las accesiones de valles secos. El CP2 explicó una proporción menor de la variación (14,31%) y ordenó a las accesiones sobre un contraste entre variables morfo-fenológicas (número de ramas principales, longitud de los glomérulos, duración siembra-botón floral, siembra-floración, siembra-madurez fisiológica) y morfológicas (diámetro de tallo, longitud y ancho de hojas,

5 longitud pecíolo, panoja y altura de planta). Los autovectores para las variables morfofenológicas fueron todos negativos y ubicaron a las accesiones con mayor valor en el extremo inferior izquierdo (accesiones de valles orientales de menor altura: 212, 456, 60, 451, 458, 452) mientras que a las accesiones con mayores valores de autovectores positivos (variables morfológicas) en el extremo superior izquierdo (accesiones de valles secos). En la mayoría de las accesiones de valles orientales de menor altura se observaron plantas de gran tamaño con mayor numero de ramas y glomérulos mas largos, a su vez tanto el tiempo a botón floral como floración y madurez fisiológica fueron también los mas largos. Por otro lado, las accesiones de valles secos presentaron las mayores dimensiones para el diámetro del tallo, longitud de la panoja y largo y ancho de las hojas y altura de planta. El CP3 (10,03%) representó un contraste para caracteres de plántula (tamaño de cotiledones) diferenciando en similar magnitud materiales origen oriental (valles húmedos+valles secos) de los de altiplano de manera similar al CP1. El análisis de conglomerados diferenció tres grupos, determinado a nivel de corte del 75% debido a que cortes a niveles mayores mantenían el mismo número de grupos y por lo tanto no incrementaba la suma de cuadrados de las distancias entre los genotipos. El último grupo en unirse al dendrograma (G1) estuvo representado por accesiones de valles secos, dos accesiones de altiplano (435, 438), y una accesión de valle oriental de menor altura (463). El siguiente grupo (G2) estuvo conformado por accesiones de valles secos y valles orientales. Las accesiones de valles secos provinieron de varios orígenes a lo largo de la Quebrada de Humahuaca, desde la localidad de Tilcara (accesión 215) en el extremo sur hasta Sta. Ana de Valle Grande (accesión 468) en el extremo oriental. Por otro lado las acciones de valles orientales se dividieron según el piso altitudinal donde fueron colectadas. Las accesiones de los valles orientales de menor altura (212, 456, 451, 458, 452, excepto la accesión 60 distribuida a los 3700 msnm) formaron un subgrupo coherente y diferenciado de las accesiones distribuidas a mayor altura (256, 481, 261, 482, 465). En el último grupo (G3) se agruparon la mayoría de las accesiones de origen altiplánico y una accesión de valle oriental de mayor altura (466). En la Figura 1 se presentan con un símbolo diferente a las accesiones que pertenecen a cada conglomerado. Entre ambos análisis se observan similitudes y diferencias. Entre las diferencias cabe mencionar que la accesión 438, de origen altiplánico (Rachaite, Prov. de Jujuy), fue agrupada con las accesiones de valles secos en G1 mientras la ordenación la ubicó mas cercana a las accesiones de altiplano, la misma consideración se extiende a la accesión 435 (Cangrejillos, Prov. de Jujuy). Las accesiones 465 y 466 que provienen de un mismo origen fueron agrupadas en grupos distintos, sin embargo se ordenaron junto a las accesiones de altiplano y mas cercanas entre si en el ACP que los que las ubicó el análisis de conglomerado. Las similitudes se observaron en el patrón general de definición de los tres grupos de diferentes accesiones G1, G2 y G3 de valles secos, orientales y altiplánicos respectivamente. Por otro lado, el ACP ordenó a las accesiones del G2 en materiales de valles orientales de baja elevación en el extremo inferior izquierdo, valles orientales de mayor altitud en una posición central y materiales de valles secos mas próximos a accesiones del G1 (Figura 1). Las accesiones del G1 presentaron ramificación, duración intermedia en tiempo a floración y madurez fisiológica y las plantas más altas de la colección. Las accesiones del G2 presentaron ramificación característicamente y mayor duración en tiempo a floración, madurez fisiológica y arquitectura de planta dentro de la colección. Por otro lado, las accesiones del G3 fueron típicamente precoces y rara vez se observó que presentaran ramificación (excepto 466), a su vez fueron los materiales con arquitectura más reducida dentro de la colección. Rojas (2003) sobre la base de características cuantitativas diferenció siete grupos para las accesiones de Bolivia, la mayoría de los mismos de origen altiplánico y solo dos ubicados en la región oriental sobre valles de menor elevación. Estos últimos podrían corresponderse con los materiales de valles orientales de baja elevación distribuidos sobre las faldas orientales

6 Axis 2 de la cordillera andina que se extiende desde Bolivia a Argentina (pero solo G7 pareciera asemejarse ya que G5 tiene panoja amarantiforme, característica rara vez presente en los materiales de valle argentinos). Por otro lado, las variedades G2 presentaron patrones de crecimiento similares a algunas de las de quebrada pero un mayor número de ramas. Las accesiones de Quebrada presentaron mayor variabilidad a lo largo del CP 2 ocupando un amplio rango del espacio euclidiano superpuesto con las accesiones altiplánicas. Entre las variedades de Quebrada también se observó mayor variabilidad para variables de hojas superponiéndose en algunos casos con accesiones de valles orientales de altura y baja elevación pero diferentes a las altiplánicas. 3 CHEN 435 CHEN 216 CHEN CHEN 183 CHEN CHEN CHEN 252 CHEN 058 CHEN 232 CHEN 463 CHEN 438 CHEN 431 CHEN 432 CHEN 426 CHEN 060 CHEN 256 CHEN 414 CHEN 185 CHEN 182 CHEN 461 CHEN 275 CHEN 261 CHEN 481 CHEN CHEN 451 CHEN 468 CHEN 482 CHEN 466 CHEN 420 CHEN 452 CHEN 465 CHEN 212 CHEN 458 CHEN Axis 1 Figura 1. Biplot de los dos primeros componentes principales del ACP. Símbolos: triángulos, accesiones agrupadas en el G3 mayormente de origen altiplánico (distribución en puna), cuadrados: accesiones agrupadas en el G1 mayormente de valles secos (quebrada de Humahuaca), círculos: accesiones agrupadas en el G2 valles orientales (de menor altura) y secos. BIBLIOGRAFIA Christensen, S. A., Pratt, D. B., Pratt, C., Nelson, P. T, Stevens, M. R., Jellen, E. N., Coleman, C. E., Fairbanks, D. J., Bonifacio, A., Maughan, P. J Assessment of genetic diversity in the USDA and CIP-FAO international nursery collections of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) using microsatellite markers. Plant Genet. Resources: Charact.Util. 5: Fuentes, F. F.; Martinez, E. A.; Hinrichsen P. V.; Jellen, E. N.; Maughan P. J Assessment of genetic diversity patterns in Chilean quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) germplasm using multiplex fluorescent microsatellite markers. Cons. Genet. 10: IPGRI-CIRF (Centro Internacional de Recursos Fitogenéticos) Descriptores de quinoa.

7 Ortiz, R., E.N. Ruiz-Tapia,Mujica Sánchez,A Sampling strategy for a core collection of Peruvian quinoa germplasm. Theor. Appl. Genet. 96: Rojas, W Multivariate Analysis of Genetic Diversity of Bolivian Quinoa Germplasm. Food Rev. Int. 19: 9 23.