Variabilidad morfológica y molecular de genotipos de Arracacha (Arracacia xanthorriza Bancr.) del Banco de Germoplasma de Corpoica Johanna Paola Garnica Montaña Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Agropecuarias Palmira, Colombia 2019
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Variabilidad morfológica y molecular de genotipos de Arracacha
(Arracacia xanthorriza Bancr.) del Banco de Germoplasma de Corpoica
Johanna Paola Garnica Montaña
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Palmira, Colombia
2019
Variabilidad morfológica y molecular de genotipos de Arracacha
(Arracacia xanthorriza Bancr.) del Banco de Germoplasma de Corpoica
Johanna Paola Garnica Montaña
Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ciencias Agrarias
Director:
Ph.D. Franco Alirio Vallejo Cabrera
Codirector:
Msc Juan Jose Rivera Varón
Línea de Investigación:
Fitomejoramiento
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Palmira, Colombia
2019
Dedicatoria
Este logro lo quiero dedicar a mi adorado abuelo quien guía mis pasos desde el cielo,
quien en vida me alentó cada ínstate para ser una mujer luchadora y triunfadora.
A Dios, a mi negro milagroso, porque siempre escucha mis suplicas y guía mi camino.
A mi madre y a mi hermana Daniela que siempre han sido mi motor, son mi felicidad y mi
mayor alegría, gracias por cada momento.
A mi padre que siempre ha estado tan cerca para darme una voz de aliento.
A mi amado esposo, quien nunca me abandona, siempre me alienta y llena cada día de
amor y felicidad.
Johanna Garnica
Agradecimientos
A la Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira, Facultad de Ciencias Agropecuarias
por permitir mi desarrollo profesional en posgrado y ser parte del alma mater.
A la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria – AGROSAVIA, Centro de
Investigación Nataima por el recurso humano, físico y económico (personal de apoyo,
insumos, equipos e instalaciones) para la realización de la tesis de maestría, ejecutada
dentro del macroproyecto “Generación y vinculación de tecnologías para mejorar la
productividad de los sistemas de producción de arracacha en Colombia” proyecto “Una
variedad de arracacha amarilla seleccionada por adaptación y productividad”.
Al Sistema de Bancos de Germoplasma de la Nación para la Alimentación y la Agricultura
(SBGNAA) por permitir evaluar los materiales del banco de germoplasma de Arracacia
ubicado en el Centro de Investigacion La Selva – AGROSAVIA.
Al Laboratorio Biología molecular de la Universidad Nacional de Colombia sede Palmira
por la prestación de equipos e instalaciones para la ejecución del componente molecular.
Al profesor titular y director de tesis el Dr Franco Alirio Vallejo por su asesoria y compromiso
para el cumplimiento de los objetivos de la tesis.
Al Dr Lorenzo Pelaez Suarez director del Centro de Investigacion Nataima y Dr Ariel
Hurtado Rodriguez Director Administrativo y Finaciero de AGROSAVIA por creer en mí y
darme la oportunidad de fortalecer mi nivel académico.
Al Comité de Fortalecimento de Capacidades de AGROSAVIA por permitir mi desarrollo
académico y profesional dentro de mi instancia laboral.
A los investigadores de AGROSAVIA del centro de investigación Nataima, Juan José
Rivera Varón (pensionado), Jorge Alberto Valencia Montoya, Oscar Jair Rodríguez
Rodríguez y Liliana Margarita Atencio Solano por permitir ser parte de su equipo de trabajo
y apoyar incondicionalmente el desarrollo de la maestría.
Al equipo de investigación de Bancos de Germoplasma del CI La Selva - AGROSAVIA,
Dra Clara Ines Medina, Jhon Jairo Aguirre Machado, Maria Orfilia Vargas Arcila y Maria
Gladis Rosero Alpala por su apoyo en todo el componente de caracterización.
Al equipo del Laboratorio Biología molecular de la Universidad Nacional de Colombia sede
Palmira, Dr Jaime Eduardo Muñoz Florez, Paula Andrea Rugeles Silva, Rubén Darío Rojas
Pantoja y Jorge Mario Londoño Caicedo por su constante apoyo y colaboración en los
procesos moleculares.
A mis compañeros de trabajo de AGROSAVIA, Jorge Enrique Villamil Carvajal y Walter
Giraldo Moreno, porque han sido colegas y amigos.
Resumen y Abstract IX
Resumen
La arracacha (Arracacia xanthorrhiza Bancr.) es una raíz tuberosa originaria de los Andes
con mayor área de cultivo en Colombia, Brasil, Ecuador y Venezuela. Es la única
umbelífera de las Américas domesticada; se hipotetiza a Colombia como centro de
domesticación además de ser parte del centro de diversidad primaria del género y
conservación de la especie. El presente estudio abordó un análisis de diversidad genética
a nivel morfológico y molecular de 96 accesiones de arracacha manejadas por el Sistema
de Bancos de Germoplasma de la Nación para la Alimentación y la Agricultura (SBGNAA),
de las cuales, 88 accesiones provienen de colectas en seis municipios de Colombia y cinco
accesiones provenientes de Perú de las cuales no se tiene información concreta sobre el
origen de estos materiales. Un análisis AFDM permitio diferenciar caracteres morfológicos
cuantitativos como longitud de hoja y peciolo, altura y diámetro de la planta y cualitativos
como color secundario de la hoja y color del nabo explicaron la mayor parte de la
variabilidad genética, mientras la evaluación con 10 marcadores moleculares (SSR
fluorescentes), identificó valores promedio de PIC 0.42, heterocigosidad 0.54 y diversidad
genética de 0.47. Los análisis de dissimilaridad generaron tres agrupaciones principales,
siendo la primera compuesta por individuos mono-alélicos, la segunda por di-alélicos y la
tercera por tri-tetra-alélicos. La obtención de la estructura poblacional fue basada en la
ploidía mas no el sitio de colecta de las accesiones. Se presentaron alelos únicos que
pueden estar soportando la diferenciación genética entre las accesiones de arracacha
estudiadas y junto con los caracteres morfológicos discriminantes permitieron la selección
de ocho genotipos promisorios para futuros progamas de mejoramiento (ILS 202, ILS 206,
ILS 3417, ILS 3418, ILS 3912, ILS 3915, ILS 3933 y YEM HUE). Este estudio es un primer
acercamiento a los recursos fitogenéticos del banco de germoplasma de arracacha para
2.1 Objetivo General ................................................................................................ 6 2.2 Objetivos Específicos ......................................................................................... 6
3. Marco teórico ............................................................................................................ 7
3.1 Origen y Distribución .......................................................................................... 7 3.2 Importancia económica y distribución geográfica de Arracacia en Colombia ...... 9 3.3 Descripción taxonómica ................................................................................... 10
3.3.1 Familia Apiaceae ........................................................................................... 10 3.3.2 Subfamilia Apioideae ..................................................................................... 11 3.3.3 Clado Arracacia ............................................................................................. 11 3.3.4 Género Arracacia ........................................................................................... 12 3.3.5 Nombres de Arracacha .................................................................................. 13
3.5.1 Nivel de ploidia .............................................................................................. 17 3.6 Utilización de los recursos genéticos en bancos de germoplasma ................... 17
4.1.3 Variables morfológicas .................................................................................. 34 4.1.4 Análisis estadístico de los descriptores cuantitativos ..................................... 36 4.1.5 Análisis estadístico de los descriptores cualitativos ....................................... 37 4.1.6 Análisis de clasificación conjunta .................................................................. 38
4.2 Evaluación y caracterización molecular ............................................................ 39 4.2.1 Material vegetal ............................................................................................. 39 4.2.2 Extracción de ADN ........................................................................................ 39 4.2.3 Amplificación de SSR y preparación de los multiplex .................................... 40 4.2.4 Análisis de datos ........................................................................................... 44 4.2.5 Análisis integral de marcadores moleculares ................................................. 45 4.2.6 Identificación de la estructura poblacional ..................................................... 46 4.2.7 Análisis de Dis-similaridad del vecino más cercano ....................................... 46 4.2.8 Análisis de genética de poblaciones .............................................................. 46
4.3 Identificacion de genotipos para programas de mejoramiento en Arracacha..... 47 5. Resultados y discusión ......................................................................................... 48
5.2.1 Análisis estadística descriptiva ...................................................................... 49 5.2.2 Análisis pre-procesamiento ACP: coordenadas y cosenos ............................ 52 5.2.3 Construcción y caracterización del conglomerado: composición y parangones 58
5.3 Análisis caracteres cualitativos ......................................................................... 67 5.3.1 Análisis estadística descriptiva ...................................................................... 67 5.3.2 Análisis pre-procesamiento ACM: coordenadas y cosenos ........................... 71 5.3.3 Construcción y caracterización del clúster: composición y parangones ......... 78
5.4 Análisis de caracteres conjuntos: cualitativos y cuantitativos ............................ 90 5.4.1 Análisis pre-procesamiento AFDM ................................................................ 91 5.4.2 Construcción y caracterización del clúster: composición y parangones ......... 92
5.5 Material vegetal y extracción de ADN ............................................................. 107 5.6 Amplificación de marcadores SSR .................................................................. 110 5.7 Análisis integral de marcadores moleculares .................................................. 113 5.8 Estructura de la diversidad genética ............................................................... 118 5.9 Análisis de dissimilaridad genética .................................................................. 122 5.10 Análisis de distancias genéticas ...................................................................... 128 5.11 Análisis de clúster jerárquico .......................................................................... 131 5.12 Accesiones promisorias identificadas para programas de mejoramiento ........ 133
5.12.1 Análisis de las clases genéticas .................................................................. 133 5.12.2 Selección de accesiones promisorias para programas de mejoramiento ..... 136
5.13 Selección de genotipos promisorios a partir de alelos privados ...................... 139 6. Conclusiones y recomendaciones ..................................................................... 143
Tabla 5-62. Lista de accesiones que presentan uno o más alelos privados .................. 140
Lista de Símbolos y abreviaturas
Símbolos Símbolo Término °C Grados centígrados AgNO3 Nitrato de plata BrET Bromuro de Etidio cos2 Coseno cuadrado ha Hectárea ml Milímetro ng/µl Nanogramo por microlitro pb Pares de bases t.ha-1 Tonelada por hectárea
Abreviaturas Abreviatura Término AC Análisis de Clúster ACM Análisis de Correspondencias Múltiples ACP Análisis de Componentes Principales ADN Acido desoxirribonucleico AFDM Análisis Factorial de Datos Mixtos AFLP Polimorfismo en la Longitud de los Fragmentos Amplificados AGROSAVIA Corporación Colombina de Investigación Agropecuaria ARN Ácido ribonucleico CAN Comunidad Andina de Naciones CDB Convenio sobre la Diversidad Biológica CICA Centro de Investigaciones en Cultivos Andinos CIID Centro Internacional de Investigaciones para el Desarrollo CIP Centro Internacional de la Papa CNPH Centro Nacional de Pesquisa de Hortaliças CONDESAN Consorcio para el Desarrollo Sostenible de la Ecorregión Andina COSUDE Cooperación Técnica Suiza CV Coeficiente de variación D.E. Desviación estándar DENAREF Departamento Nacional de Recursos Fitogenéticos y Biotecnología DIA Departamento de Investigación Agrícola EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EMCAPA Empresa Capixaba de Pesquisa Agropecuária ESPOCH Escuela Superior Politécnica de Chimborazo EVA Evaluaciones Agropecuarias Municipales FAO Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura FAOSTAT Base de datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura FONAIAP Fondo Nacional de Investigaciones Agropecuarias ICA Instituto Colombiano Agropecuario IFPRI Instituto de Investigaciones sobre Políticas Alimentarias
IICA Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas INIA Instituto Nacional de Innovación Agraria INIAP Instituto Nacional Autónomo de Investigaciones Agropecuarias INIEA Instituto Nacional de Investigación y Extensión Agraria IPGRI International Plant Genetic Resources Institute MADR Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural MBD Matriz Básica de Datos NCR National Research Council NN.UU. Naciones Unidas NRC National Research Council PCR Reacción en cadena de la polimerasa PROINPA Fundación promotora de la innovación técnica para mejorar la competitividad de los cultivos andinos RAPD Amplificación Aleatoria del ADN Polimórfico RFAA Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y la Agricultura RFLP Polimorfismo de la Longitud de los Fragmentos de Restricción RIAA Revista de Investigación Agraria y Ambiental SBGNAA Sistema de Bancos de Germoplasma de la Nación para la Alimentación y la Agricultura SNP Polimorfismos de un solo nucleótido sp Especie SSR Microsatélites o Secuencias Simples Repetidas STR Repeticiones cortas en tándem UFV Universidade Federal de Vicosa UNC Universidad Nacional de Cajamarca UNSAAC Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco UPGMA Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean
Funciones R Abreviatura Función
fviz_mca_ind Grafica individuos a partir de un ACM
fviz_mca_var Grafica variables a partir de un ACM
fviz_pca_ind Grafica individuos a partir de un ACP
fviz_pca_var Grafica variables a partir de un ACP
fviz_screeplot Grafica valores propios/varianzas contra el numero de dimensiones
get_eigenvalue Extrae los valores propios/varianzas de las dimensiones principales get_mca (res.famd) Extrae los resultados de variables e individuos a partir de un AFDM get_mca (res.mca) Extrae los resultados de variables e individuos a partir de un ACM
get_pca_var Extrae los resultados de variables e individuos a partir de un ACP
HCPC Realiza un agrupamiento jerárquico en los componentes principales
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