May

2023

16

Variedades de caña eficientes en el uso de nitrógeno

Ómicas

Cenicaña identificó cuatro variedades del banco de germoplasma con cualidades de producción de biomasa por el uso eficiente que hacen del nitrógeno. Los resultados fueron obtenidos en invernadero, en cultivos hidropónicos, donde se evaluó la respuesta de 290 genotipos al suministro del nutrimento en tratamientos de alta y baja disponibilidad de nitrógeno.

Autores: Fernando S. Aguilar1, Carolina Saavedra-Díaz1,2, Jhon Henry Trujillo-Montenegro1, Alejandra Londoño1, Hugo Arley Jaimes1, John Jaime Riascos1, Jershon Lopez1, Luis Fernando Chavez1, y Fernando Muñoz1

Las variedades colombianas ICA 75-1 y CC 87-832, la brasilera SP 79-1184 y la australiana Q 67, resultaron destacadas en la experimentación que busca progenitores élite de mejoramiento genético para contribuir al uso eficiente de nitrógeno en las zonas de cultivo.

El uso eficiente de nitrógeno (UEN) de un genotipo se define como la capacidad de este para producir un contenido de biomasa superior, que lo distingue del resto –en peso seco–, por cada unidad de nitrógeno almacenado en el tejido (Robinson et al. 2007).

Para identificar los posibles progenitores, entre 2019 y 2022, se caracterizó la variabilidad genética de 290 variedades del banco de germoplasma de caña con respecto al UEN, en cultivos hidropónicos mantenidos en solución Hoagland.

La solución contenía todos los elementos mayores y menores necesarios para el desarrollo de las plantas, excepto el nitrógeno (N), que fue suministrado en la forma de nitrato de amonio (NH4NO3), en dos cantidades (milimolar, mM): bajo N = 4 mM y alto N = 14 mM.

Tres meses después de la siembra, en cinco repeticiones por variedad, se midió el peso seco de la biomasa aérea de las plantas, así como la concentración de nitrógeno en el tejido vegetal, esta última mediante espectroscopia del infrarrojo cercano o NIR.

Finalmente se determinó el UEN de cada variedad (g/g, proporción de biomasa con respecto al contenido de N en el tejido) y se midió la variabilidad genética de las variedades con referencia al UEN.

¿Qué buscamos?

  • Caracterizar la variabilidad genética del banco de germoplasma de caña respecto al uso eficiente de nitrógeno (UEN).
  • Seleccionar variedades superiores en el UEN, inclusive en condiciones de bajo suministro del nutrimento.
  • Asistir el mejoramiento de caña con genotipos caracterizados por su potencial genético en el UEN, que se integren como parentales en grupos élite de cruzamientos con fines específicos y según el esquema de Cenicaña.
  • Contribuir a la sostenibilidad del cultivo, manteniendo la productividad sin aumentar la huella de carbono.
  • Implementar metodologías rápidas y confiables que faciliten la investigación en ciencias ómicas aplicadas en la agricultura.

Alianza ÓMICAS (optimización multiescala in-silico de cultivos agrícolas sostenibles) en Cenicaña.

Producción de biomasa

El nitrógeno es parte fundamental de la clorofila, componente necesario para que la planta utilice la energía solar en el crecimiento y desarrollo durante la fotosíntesis (Leghari et al. 2016). Por tanto, mayores suministros de nitrógeno en el ciclo de cultivo están asociados con una mayor producción de biomasa en las plantas. Nuestros resultados evidenciaron que:

  • La producción de biomasa de 290 variedades evaluadas fue cerca del doble (8.76 ± 4.03 g) en el tratamiento de alto N en comparación con la biomasa (4.36 ± 2.08 g) en el tratamiento de bajo N.
  • La variabilidad genética en términos de biomasa fue mayor con alto N, entre 0.9 g y 21.4 g, que la observada con bajo N (Figura 1).  
  • La variedad ICA 75-1 fue la de mayor biomasa en ambos tratamientos de N. Esta variedad fue producida por el Instituto Colombiano Agropecuario (ICA), programa de mejoramiento genético de caña de azúcar en Palmira (Cassalett Davila and Rangel Jimenez 1995), y se mantiene actualmente como una fuente de genes de adaptación de importancia agronómica.

De las 209 variedades evaluadas, 18 produjeron alta biomasa en ambos tratamientos de N (Figura 2). Esto señala que no hubo una respuesta diferencial entre ellas por efecto del contenido de N agregado al sustrato.

Figura 1. Distribución de 290 variedades de caña en cultivo hidropónico según la producción promedio de biomasa aérea seca en dos tratamientos de suministro de NH4NO3: bajo N (4 mM) y alto N (14 mM).

Figura 2. Producción de biomasa aérea seca de 290 variedades de caña en cultivo hidropónico, en dos tratamientos de suministro de NH4NO3: bajo N (4 mM) y alto N (14 mM). Las líneas punteadas indican el valor de la media de biomasa más 1.5 veces la desviación estándar para alto N (14.8 g) y para bajo N (7.5 g). Los genotipos de alta producción de biomasa comunes en ambos niveles de N están señalados con números del 1 al 18. El genotipo de más baja producción está señalado con B, en rojo.

Uso eficiente de nitrógeno

El análisis anterior señaló que a mayor suministro de N es mayor el contenido de biomasa. No obstante, cuando se observa el UEN de las variedades, es decir la biomasa producida en relación con el contenido de N en las plantas, el panorama es distinto. Con el UEN se pudo observar que:

  • Las variedades evaluadas presentaron un UEN mayor en condiciones de bajo N, equivalente a 71.83 ± 15.24 g de biomasa por gramo de N en el tejido.
  • Al analizar dentro de cada nivel de nitrógeno, se observó que la diferencia entre las variedades de menor y mayor UEN varió 2.8 veces dentro del tratamiento de bajo N y 3.1 veces en el de alto N (Figura 3).
  • Siete variedades acumularon más de 69 g de biomasa seca por cada gramo de N en el tejido, independientemente del tratamiento de suministro de N (Figura 3), por lo que se consideran estables respecto al UEN.
  • De las siete variedades, cuatro variedades superaron los 105 g de biomasa por gramo de nitrógeno en el tratamiento de bajo N y fueron seleccionadas como potenciales padres

Figura 3. Uso eficiente de nitrógeno (UEN) de 290 variedades de caña en cultivo hidropónico, en dos tratamientos de suministro de NH4NO3: bajo N (4 mM) y alto N (14 mM). Las líneas punteadas indican el valor de la media de UEN más 1.5 veces la desviación estándar con alto N (69.67 g/g) y con bajo N (94.69 g/g). Puntos verdes muestran las variedades con altos UEN en ambas condiciones, mientras que en rojo esta la de más bajo UEN.

Conclusiones

  • Se evidenció una diversidad genética alta entre las variedades de caña de azúcar en relación con el uso eficiente de nitrógeno. Esto indica la existencia de variedades con la capacidad de producir mayor biomasa por unidad de N en los tejidos.
  • Las variedades CC 87-832, ICA 75-1, SP 79-1184 y Q 67 fueron las más destacadas en el UEN en ambos tratamientos de N (alto y bajo). La ICA 75-1, en particular, fue segunda en UEN (>105 g/g) y, primera en biomasa (10.72 g) con bajo N.
  • Dichas variedades son consideradas promisorias como parentales en el programa de mejoramiento genético de caña en Colombia.
    (Robinson et al. 2007)

Referencias

Cassalett Davila, C., and Rangel Jimenez, H. 1995. Mejoramiento Genético. In El cultivo de la cana en la zona azucarera de Colombia.

Leghari, S.J., Wahocho, N.A., Laghari, G.M., HafeezLaghari, A., MustafaBhabhan, G., HussainTalpur, K., Bhutto, T.A., Wahocho, S.A., and Lashari, A.A. 2016. Role of nitrogen for plant growth and development: A review. Advances in Environmental Biology 10(9): 209-219.

Robinson, N., Fletcher, A., Whan, A., Critchley, C., von Wirén, N., Lakshmanan, P., and Schmidt, S. 2007. Sugarcane genotypes differ in internal nitrogen use efficiency. Functional Plant Biology 34(12): 1122-1129.

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1 Centro de Investigación de la Caña de Azúcar, Cenicaña

2 Pontificia Universidad Javeriana, Cali

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