Estudio de los mecanismos involucrados en la tolerancia al estrés en genotipos de maíz (Zea mays L.)

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1 PID 2107 Estudio de los mecanismos involucrados en la tolerancia al estrés en genotipos de maíz (Zea mays L.) Valentinuz, Oscar Rodolfo* *Director del proyecto; Facultad de Ciencias Agropecuarias, UNER (Oro Verde, Entre Ríos, Argentina). Contacto: Resumen La obtención de genotipos de maíz con tolerancia al estrés es una prioridad en programas de mejoramiento. El objetivo del proyecto fue identificar aspectos ecofisiológicos asociados con el comportamiento de genotipos de maíz en condiciones de estrés abiótico. Entre 2004 y 2008 se evaluaron genotipos bajo estrés (poblacional, nutricional, seguía, baja radiación incidente, emergencias desuniformes) en términos de rendimiento en grano, componentes numéricos, y componentes ecofisiológicos del crecimiento. Se utilizó información previa para comparar distintos métodos de estabilidad e identificar genotipos candidatos a ser portadores de atributos asociados con la tolerancia a estrés. Estos genotipos fueron evaluados en experimentos con mayor control de variables y mediciones de atributos sospechados de aportar a la tolerancia en donde se procuró imponer estreses abióticos comparables en magnitud e intensidad con lo ocurrido en condiciones de producción. Resultados revelaron que genotipos que sostienen el rendimiento ante estrés son capaces de combinar estrategias del crecimiento reproductivo que incluyen i) los parámetros que definen el peso de grano, ii) la relación entre peso y número de grano, iii) los parámetros que definen el progreso de la senescencia visual y funcional y iv) la partición y removilización de asimilados hacia la espiga durante el estrés. Palabras clave: maíz, estrés abiótico, híbridos Introducción El incremento de la tolerancia al estrés abiótico fue una de las causas que determinó el aumento del rendimiento del cultivo de maíz en el pasado. La necesidad de contar con genotipos más adaptados a nuevos ambientes y con mayor eficiencia de uso de los recursos anticipa que la búsqueda de una mayor tolerancia a estrés también puede ser de utilidad para futuros aumentos de la producción. A diferencia de las características defensivas tales como resistencia a enfermedades y plagas, el mejoramiento por tolerancia a estrés requiere un enfoque top-down, comenzando por la identificación de las causas que varían el rendimiento a nivel de campo de producción hasta la asociación de regiones del genoma con tolerancia a estrés que reducen el rendimiento a campo (Tollenaar y Lee, 2002). Muchos procesos pueden estar involucrados en la respuesta al estrés de una planta, desde el escape o un aumento en la captura de recursos a través de un aumento en la biomasa de raíces, hasta un alivio del estrés por un secuestro de radicales de O 2. Durante la ultimas dos décadas, los procesos fisiológicos que a nivel de planta o cultivo estuvieron involucrados en el aumento del rendimiento han sido identificados y constituyen un valiosa herramienta para la identificación de ideotipos portadores de tolerancia a estrés. El aumento de la tolerancia al estrés de los híbridos modernos puede estar asociado con una gran cantidad de pequeños cambios que, en conjunto, darían como resultado esa mayor tolerancia. Por otro lado, la continua búsqueda de aumentos en el rendimiento potencial se traducirá en una mayor demanda de recursos que resultara en un incremento en la frecuencia del estrés al menos que el mayor rendimiento potencial estuviera asociado con una mayor tolerancia al estrés. El mejor ejemplo de un aumento en la tolerancia al estrés a nivel de canopia, con el mejoramiento genético en maíz, ha sido la fuerte interacción genotipo x densidad (Duvick, 1997).

2 La estabilidad del rendimiento y la tolerancia al estrés en general están altamente asociadas y la estabilidad del rendimiento no parece haber declinado con el aumento en el rendimiento potencial. La estabilidad del rendimiento es un atributo altamente deseable, y los programas de mejoramiento de maíz invierten una parte sustancial de los recursos en la selección por estabilidad. El proyecto que aquí se informa fue un intento por conocer en primer termino, los atributos que a nivel de planta y/o cultivo se asocian con las menores caídas de rendimiento ante situaciones de estrés abiótico (un indicador de la estabilidad del híbrido) y, en segundo lugar, identificar combinaciones de atributos que resultan en estrategias que los genotipos exponen ante distintos estreses abióticos con la finalidad de desarrollar ideotipos de plantas con una mejorada tolerancia al estrés. Materiales y Método Un grupo de genotipos provenientes de distintos programas de mejoramiento públicos o privados fueron utilizados en experimentos ejecutados en distintas localidades (Paraná, Oliveros, Manfredi, María Grande, Victoria) en donde se evaluaron rasgos y atributos de los genotipos a nivel de planta y cultivo cuando fueron sometidos a distintos tipos de estreses abióticos. El estudio se concentró principalmente en cuantificar los cambios en el rendimiento y los atributos de los genotipos frente estreses determinados por el ambiente tales como el déficit de nitrógeno y la sequía, como por aquellos estrés asociados a prácticas de manejo del cultivo tales como densidad poblacional, fecha de siembra y calidad de siembra. Los experimentos fueron de tres tipos: i) red de experimentos repetidos en distintas localidades, ii) experimentos en centros experimentales en condiciones de campo con manejo de estrés y iii) experimentos en macetas ubicadas a campo con fuerte control del momento e intensidad del estrés. Las variables evaluadas fueron aquellas principalmente que se relacionan con el crecimiento del cultivo durante la etapa reproductiva y fueron abordadas tanto a nivel de cultivo como de planta individual. Es utilizaron diseños en parcelas divididas y subdivididas de acuerdo a la cantidad de factores de estrés estudiados. El análisis de los datos incluyó estudio de la varianza, correlación, regresión y el uso de herramientas de análisis multivariado. Resultados Estrés Hídrico Nuestros resultados revelaron que genotipos superiores (i.e., genotipos con rendimientos altos y estables) pueden basar su mejor desempeño frente a un estrés hídrico en post-floración mediante cambios de los parámetros que caracterizan el crecimiento de grano y la senescencia foliar. Además, se encontró que las estrategias utilizadas por estos genotipos para sostener el rendimiento ante limitaciones hídricas durante el llenado de grano surgen a partir de distintas combinaciones entre los parámetros de crecimiento y senescencia. Una estrategia sería mantener la tasa y duración de llenado de grano, combinado con un patrón de senescencia bi-lineal tal como lo describieron Borras y col. (2003) y Valentinuz y Tollenaar (2004). Mientras que la otra estrategia surgiría de incrementar la tasa de llenado de granos a costa de una disminución en la duración combinado con un patrón de senescencia lineal y con altas tasas de senescencia (Valentinuz y Paparotti, 2004). No obstante, la superioridad provendría principalmente de la habilidad del genotipo para fijar un alto número de granos durante la etapa previa al llenado de grano tal como ha sido reportado por Andrade y col. (1999). A partir de ensayos en distintos ambientes y con mayor control de variables en donde se evaluaron líneas e híbridos de maíz provenientes del programa de mejoramiento del INTA Pergamino, fue posible identificar un híbrido experimental superior en rendimiento y con poca interacción genotipo x ambiente. Este híbrido (L29xLP612) también se destacó por ser estable en términos de materia seca total acumulada, número de granos por planta y peso de grano en distintos ambientes y, cuando comparado con un híbrido comercial con alta demanda de los productores (AW190MG), L29xLP612 presentó similares valores de área foliar por planta y materia seca a madurez y presentar un patrón de senescencia visual más favorable. A partir de la información de las líneas (L29 y LP612), se encontraron altos valores de heterosis para la producción de materia seca y bajos para el tamaño y duración del área foliar. Mediante análisis multivariado (Valentinuz y col., 2005) se encontró que la línea LP612 cumple un rol en la adaptación en ambientes con menor estrés hídrico, mientras que la línea L29 sería la línea portadora de una mayor tolerancia a estrés hídrico. VALENTINUZ, Oscar R. I Estudio de los mecanismos involucrados

3 Estrés Nutricional El estudio de este tipo de estrés estuvo concentrado en el efecto de ambientes contrastante en cuanto a la disponibilidad (suelo + fertilizante) del nitrógeno sobre la generación del canopeo y las relaciones entre el número y peso de grano en distintos genotipos. Los resultados del proyecto revelaron que fue la duración del área foliar post-floración más que el tamaño del área foliar al momento de floración, el atributo mas afectado por niveles de estrés nitrogenado comparables con los que se presentan a nivel de producción. En efecto, la aplicación de 200 kg N/ha -1 determinó diferencias de solamente un 10% en el tamaño del área foliar a floración mientras que la diferencia en la duración del área foliar verde inmediatamente después de la floración fue de 32% (Temón y col., 2005). Otros resultados (Temón y col., 2007) también revelaron que los genotipos no cumplen una relación única entre NG y PG, y que el tipo (directa vs. inversa) y la magnitud de la relación dependen de la oferta del nitrógeno. Así, se encontró que, en ambientes con alto nitrógeno, los híbridos con una relación negativa entre NG y PG presentan como principal mecanismos para incrementar el rendimiento el aumento en el número de grano a pesar de una declinación en el peso de los granos y las diferencias entre los híbridos para incrementar el rendimiento en buenos ambientes se podrían cuantificar a partir de la pendiente de la relación entre NG y PG. Por otro lado, en ambientes con bajo nitrógeno, los híbridos con una relación positiva entre NG y PG estarían mejor adaptados y su mayor tolerancia de debería a una combinación de atributos tales como la mayor fijación de granos y la mayor habilidad para llenarlos (Temón y col., 2007) como consecuencia de un mayor partición a espiga, tal cual como lo indicaron Follonier y col. (2007) en uno de los experimentos llevado a cabo en condiciones de producción. Estrés por desuniformidad Este estrés fue estudiado en experimentos en donde se evaluaron los atributos que distintos genotipos de maíz exponen ante dos tipos de desuniformidades (Espacial y Temporal). A partir de experimentos en condiciones de producción (Angelini y col, 2009), se encontró el aumento en la velocidad de siembra (desde 6 a 10 km/hora); triplicó la desuniformidad espacial (expresada como desviación standard y kurtosis) pero no modificó significativamente el rendimiento en grano de dos genotipos de maíz, lo cual sugiere una alta capacidad de ajuste tanto en el crecimiento vegetativo como reproductivo, tal cual fue indicado por Liu y Tollenaar (2004). Este estudio también reveló que las mayores diferencias en la respuesta de los genotipos en términos de producción de biomasa ocurren en densidades de población menores a 7.5 plantas m -2. En cuanto a la desuniformidad temporal, se experimentó durante dos ciclos (2004/2005 y 2006/2007) con el objetivo de examinar cómo los híbridos de maíz responden al estrés producido por una creciente proporción de plantas emergidas tarde (Ramos y col., 2005; Angelini y col., 2009). Los resultados revelaron que la reducción del rendimiento por la presencia de plantas que emergen tarde fue comparable para dos híbridos, ambos sospechados de portar distinto grado de tolerancia, cuando la diferencia en el desarrollo entre ambas jerarquías de plantas fue de dos hojas o menos. Sin embargo, con diferencias de cuatro hojas, los híbridos mostraron una respuesta distinta en términos de rendimiento. Así, el híbrido identificado como estable en otros experimentos de este proyecto (DK682) mostró una menor caída de rendimiento con respecto a un híbrido caracterizado por menor potencial de rendimiento y menos tolerante a otros tipos de estrés (P300). El atributo subyacente en esta diferencia fue el índice de cosecha del genotipo tolerante, que solamente se incrementó en las plantas retrasadas, ya que el incremento de rendimiento en las plantas tempranas con respecto al testigo uniforme fue similar para ambos genotipos (aproximadamente un 20%). Adicionalmente, en otro experimento (Caviglia y Melchiori, 2011) se cuantificó el impacto de distintos niveles de fertilización con nitrógeno, sobre la desuniformidad en el rendimiento y el establecimiento de las jerarquías de plantas, hallándose que la respuesta al agregado de N estuvo más relacionada con el incremento de las plantas de mayor tamaño (dominantes) que en las de menor tamaño (dominadas) y que el agregado de N no redujo la variación del rendimiento por planta. Estrés poblacional (densidad de plantas) y radiativo (fecha de siembra)

4 Estos dos tipos de estrés fueron evaluados en un experimento factorial (2006/2007), conjuntamente con un tercer tipo de estrés (nitrogenado). De los tres tipos de estrés, solamente uno de ellos (fecha de siembra) mostró una respuesta diferencial de los híbridos evaluados, debido principalmente a la intensidad del estrés radiativo como consecuencia de la siembra tardía (4 de enero). Así, los resultados indican que es posible identificar híbridos con mayor tolerancia a estrés radiativo usando fechas extremadamente tardías. Si bien los otros tipos de estrés no mostraron interacción significativa con los híbridos, el poblacional fue el que arrojó el menor valor p (0.1463), sugiriendo que podría ser una herramienta para la evaluación de tolerancia (Troyer, 2000). Discusión El mejoramiento genético del maíz en las últimas décadas resultó en un incremento del rendimiento que estuvo más asociado con un incremento al estrés abiótico que a un incremento del rendimiento potencial (Tollenaar y Wu, 1999). Algunos aspectos que determinan la presencia de estrés en la principal región maicera de la Argentina surgen de la falta de lluvias durante los períodos críticos del cultivo, la escasez de nitrógeno, el retraso en la fecha de siembra o deficiencias en el ajuste de la densidad y la uniformidad del cultivo. Este proyecto fue original en el sentido de estudiar la identificación de atributos y mecanismo que a nivel de planta y canopia podrían estar relacionados con una mayor tolerancia a los distintos tipos de estreses comparables con los que frecuentemente enfrenta el cultivo de maíz en las actuales condiciones de producción. Nuestros resultados revelaron que genotipos superiores (i.e., genotipos con rendimientos altos y estables) pueden basar su mejor desempeño frente a distintos tipos de estrés en alteraciones de los parámetros que caracterizan el crecimiento de grano y la senescencia foliar. Las estrategias utilizadas por estos genotipos para sostener el rendimiento ante limitaciones hídricas durante el llenado de grano o limitaciones de nitrógeno que se evidencian en el período de llenado de grano surgen de distintas combinaciones entre los parámetros de crecimiento reproductivo y senescencia post-floración. Una estrategia estaría dada por la habilidad para mantener la tasa y duración de llenado de grano en combinación con un patrón de senescencia bi-lineal. Otra estrategia surgiría de incrementar la tasa de llenado de granos a costa de una disminución en la duración del período lineal de llenado de grano en combinación con un patrón de senescencia lineal y con altas tasas de senescencia. Un híbrido del programa oficial de mejoramiento del INTA (L29xLP612) fue identificado como de alto rendimiento y tolerante a estrés hídrico como surge de la escasa interacción con ambientes contrastante en términos de oferta hídrica. Este híbrido presentó un progreso de la senescencia foliar del tipo bi-lineal que estuvo asociado con una mayor producción de biomasa, atributo que mostró una alta heterosis. Los genotipos representativos de distintos programas de mejoramiento no mostraron una relación única entre número de grano y peso de grano. El tipo y magnitud de la relación dependen de la oferta del nitrógeno, existiendo un grupo de híbridos con una relación inversa ambos componentes de rendimiento entre NG y PG en ambientes con alto nitrógeno y otro grupo de híbridos con una relación positiva entre NG y PG en ambientes con una baja oferta de nitrógeno. Ante un estrés originado en la desuniformidad del cultivo (espacial y/o temporal), los genotipos estudiados muestran una alta capacidad de ajustes en el crecimiento vegetativo y reproductivo, que diluye el efecto de la desuniformidad espacial sobre el rendimiento en grano. Sin embargo, en los genotipos más tolerantes a la desuniformidad temporal, la habilidad para sostener el rendimiento del cultivo ante ese tipo de estrés puede ser atribuida a una mayor habilidad de incrementar la partición a espiga en las plantas más retrasadas en el desarrollo. Conclusiones En síntesis, la información generada en este estudio contribuye a i) un mejor conocimiento de las bases ecofisiológicas asociadas a la tolerancia a distintos tipos de estrés abiótico y ii) al diseño de ideotipos de planta de maíz portadores de tolerancia con respecto a los estreses que enfrenta el cultivo en la Región Maicera Argentina como resultado de factores ambientales y/o de manejo del cultivo. Asimismo, la información generada durante el proyecto contribuyó a la caracterización de los principales estreses abióticos que afectan al cultivo de maíz y a la cuantificación de su impacto en términos de rendimiento. No obstante, el impacto de este estudio dependerá del grado de integración que los mejoradores puedan realizar a partir de todo el conocimiento sobre los atributos que sostienen el VALENTINUZ, Oscar R. I Estudio de los mecanismos involucrados

5 rendimiento bajo condiciones de estrés y de la habilidad para acumular los QTLs y transgenes más efectivos en líneas élites sin detrimento del rendimiento potencial. Esto llevará a la obtención de nuevos genotipos con rendimientos y estables. Agradecimientos Se agradece a Exequiel Scandolo (INTA EEA Paraná) por la ayuda en los experimentos, y a todos los estudiantes de grado (Facultad de Ciencias Agropecuarias, UNER) que realizaron sus tesis de grado en el marco del Proyecto PID-UNER Referencias Andrade, F.H., C. Vega, S. Uhart, A. Cirilo, M. Cantarero, O. Valentinuz Kernel Number Determination in Maize. Crop Science 39: Angelini, D.; O. Valentinuz; S. Cabada Desuniformidad espacial: ciclo, macollaje y prolificidad afectan la respuesta de híbridos de maíz (Zea mays, L). Revista Científica Agropecuaria 13: Borrás, L.; G.A Maddonni; M. E Otegui Leaf senescence in maize hybrids: plant population, row spacing and kernel set effects. Field Crops Research 82:13-26 Cabada S., O. Valentinuz, G. Eyherabide Evaluación de híbridos experimentales de maíz (Zea Mays L.) ante estrés hídrico durante floración y llenado de grano. Actualización Técnica en Maíz, Girasol y Sorgo INTA EEA Paraná. Serie Extensión nº 44. Caviglia, O., R. Melchiori Contribution of contrasting plant hierarchies to the response to N fertilizer in maize. Field Crops Research 122: Duvick, D.N What is yield? p In G.O. Edmeades y col. (ed.) Developing drought and low N- tolerant maize. CIMMYT, El Batan, Mexico. Follonier G.M., Valentinuz O.R., Cabada S Densidad, fertilización e híbrido: una compleja combinación. Actualización Técnica en Maíz, Girasol y Sorgo INTA EEA Paraná. Serie Extensión nº 44. Ramos, J.; Valentinuz, O.; Cabada, S.; Díaz, G.; García Emergencias desuniformes en híbridos de maíz. Actualización técnica de Maíz. EEA Paraná Serie Extensión nº 41. ISSN E. EEA Paraná Serie Extensión nº 41. ISSN Temón, L., S. Cabada, O. Valentinuz; H. Peltzer, G. Díaz Rendimiento y características de híbridos de maíz con diferente estabilidad. Revista Científica Agropecuaria 9:7-12. Tollenaar M, Lee E (2002) Yield potential, yield stability and stress tolerance in maize. Field Crop Research 75: Tollenaar, M., y J. Wu Yield improvement in temperate maize is attributable to greater stress tolerance. Crop Sci. 39:1597:1604. Troyer, A.F Behaviour of corn. p In A.R. Hallauer (ed.) Temperate corn: background, behaviour, and breeding. CRP Press, Boca Raton, Florida. Valentinuz O Maíz: uniformidad de plantas y tolerancia al estrés. In. Larrea DN (Ed) Ciclo de conferencias Inta Expone 2004 (Vol II, 1st Edn), Ediciones INTA, Buenos Aires, Argentina, pp Valentinuz, O., and M. Tollenaar Vertical Profile of Leaf Senescence During the Grain-Filling Period in Older and Newer Maize Hybrids. Crop Science Valentinuz y Paparotti Physiological traits in stable maize hybrids. 4th International Crop Science Congress Brisbane, Australia. Valentinuz, O.; Cabada, S.; Vega, C.; Ortiz, D.; Díaz, G Estabilidad del rendimiento en líneas parentales de maíz y sus híbridos ante limitaciones hídricas. VIII Congreso Argentino de Maíz. Rosario. Noviembre Valentinuz O., Di Orio C.L., Cabada S Velocidad de siembre y desuniformidad espacial en dos híbridos de maíz. Actualización Técnica en Maíz, Girasol y Sorgo INTA EEA Paraná. Serie Extensión nº 44. Valentinuz, O.; C. Sanchez; J. Ramos Response to Plant Emergence Variability in Different Maize Hybrids. International Annual Meetings, ASA, CSSA, and SSSA, Houston. USA.