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Tesis:

Biodiversidad y conservación de variedades locales de quinua (Chenopodium quinoa Willd.) y ataco (Amaranthus quitensis Kunth) en la región andina de Ecuador

  • Autor: DELGADO PILLA, Angélica Hipatia

  • Título: Biodiversidad y conservación de variedades locales de quinua (Chenopodium quinoa Willd.) y ataco (Amaranthus quitensis Kunth) en la región andina de Ecuador

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73431/

  • Director/a 1º: MARTÍN CLEMENTE, Juan Pedro

  • Resumen: En el presente trabajo se ha llevado a cabo un análisis de la biodiversidad en variedades locales de quinua (Chenopodium quinoa Willd.) y amaranto negro o ataco (Amaranthus quitensis Kunth) cultivadas tradicionalmente en la región andina de Ecuador, con objeto de conocer su estado de conservación. Dicho análisis se ha realizado mediante caracterización agromorfológica y molecular. Asimismo, por primera vez, se ha analizado y comparado germoplasma colectado en dos periodos de tiempo diferentes, de manera que ello nos ha permitido conocer los cambios sufridos en dicha biodiversidad en las últimas décadas. Con respecto a la quinua, se han analizado 268 accesiones, 61 colectadas entre 1978-1988 y 207 en 2014-2015 en las provincias de Chimborazo, Cotopaxi e Imbabura. Para la caracterización agromorfológica se seleccionaron 40 descriptores, 17 de caracteres cuantitativos y 23 cualitativos. Se detectaron unos elevados niveles de diversidad para la mayoría de los caracteres, cuantitativos y cualitativos. Ello parece estar relacionado con el intercambio y mezcla de semillas que realizan los agricultores de la región andina de Ecuador, aunque también ha podido contribuir cierta introgresión de variedades comerciales, como la variedad INIAP-Tunkahuan. Cuando se compararon ambas colectas, se detectó una gran cantidad de diferencias significativas, de manera que las accesiones colectadas recientemente presentaron valores superiores de altura de la planta, tamaño de la hoja y rendimiento, así como distintas frecuencias de pigmentación en diferentes órganos o estructuras de la planta y ausencia de saponina en la mayoría de ellas. Todo ello podría estar relacionado con la diferente forma de gestionar el cultivo y la selección llevada a cabo por los agricultores durante las últimas décadas a favor de los caracteres agronómicos mencionados. Los grupos de accesiones definidos en el dendrograma mostraron características distintivas respecto a caracteres como altura de la planta, tamaño y forma de la hoja, tamaño del grano, rendimiento y pigmentación del tallo principal, de la lámina foliar y de la panoja, que suelen ser de gran interés para agricultores y fitomejoradores. De manera que la información obtenida mediante esta caracterización agromorfológica podría ser utilizada en futuros programas de mejoramiento de la quinua en Ecuador, así como en la gestión de la colección de quinua conservada en el Banco de Germoplasma del INIAP-Ecuador. Para la caracterización molecular se analizaron por separado cinco plántulas por accesión (1340 muestras) y se utilizó la variedad mejorada INIAP-Tunkahuan como referencia para detectar posible introgresión. En este análisis molecular se utilizaron ocho loci microsatélites. Se detectaron unos niveles de diversidad muy elevados, hasta 1055 genotipos diferentes en las 1340 muestras analizadas. En este caso, no se detectaron diferencias significativas entre ambas colectas, lo cual puede estar indicando que la elevada diversidad genética encontrada ya estaba presente en el acervo genético de las accesiones de quinua cultivadas ancestralmente en la región andina de Ecuador. El análisis de la estructura genética detectó la existencia de dos grupos genéticamente diferentes. En uno quedaron el 81% de las muestras de Imbabura y Cotopaxi, y en el otro el 90% de las de Chimborazo. Esta estructura genética podría explicarse por el hecho de que en Chimborazo solo se cultiva la denominada variedad Chimborazo y los intercambios de semillas se realizan fundamentalmente entre agricultores de la provincia, lo cual estaría provocando que el acervo genético de la mayoría de las quinuas de Chimborazo se esté diferenciado cada vez más del de las restantes provincias andinas. Con relación al ataco, se han estudiado 139 accesiones, 50 colectadas entre 1981-1986 y 89 en 2014-2015 en las provincias de Imbabura, Tungurahua y Cañar. Para la caracterización agromorfológica se seleccionaron 30 descriptores, 11 de caracteres cuantitativos y 19 cualitativos. Se encontraron unos niveles de variabilidad moderadamente elevados para los caracteres cuantitativos y una reducida diversidad en los cualitativos. Estos resultados estarían reflejando la existencia de un reducido acervo genético en el germoplasma de este cultivo andino minoritario e infrautilizado en Ecuador. Al comparar ambas colectas no se detectaron prácticamente diferencias significativas entre ellas, lo cual parece indicar que los agricultores locales de la región andina de Ecuador están llevando a cabo una adecuada conservación in situ del germoplasma nativo de ataco o amaranto negro, al menos durante las últimas décadas. Los distintos grupos de accesiones definidos en el dendrograma mostraron características diferenciales respecto a caracteres como altura de la planta, tamaño de la inflorescencia, tamaño de la semilla, rendimiento de grano por planta, días a la madurez fisiológica, pigmentación del tallo, de la hoja y de la inflorescencia, y densidad y tendencia de la inflorescencia, los cuales suelen ser de gran interés para agricultores y fitomejoradores. Por lo que la información de esta caracterización agromorfológica podría servir para potenciar el uso de este recurso fitogenético en futuros programas de mejoramiento del amaranto en Ecuador, así como para la gestión de la colección de amaranto conservada en el Banco de Germoplasma del INIAP-Ecuador. Para la caracterización molecular se analizaron por separado cinco plántulas por accesión (695 muestras) y se utilizó la variedad mejorada INIAP-Alegría como referencia. En este análisis se utilizaron nueve loci microsatélites. Se detectaron unos reducidos niveles de diversidad, con un genotipo mayoritario (83,6%) y hasta 12 genotipos únicos o privados de accesión de entre los 17 genotipos que únicamente fueron detectados. Tampoco se encontraron diferencias significativas entre ambas colectas, aunque las accesiones colectadas durante 2014-2015 en las provincias de Tungurahua y Cañar mostraron una drástica reducción en su diversidad genética, ya que hoy en día existe prácticamente un único genotipo (G1 > 96%). Estos resultados indican que las variedades nativas de ataco podrían estar en claro riesgo de desaparecer por erosión genética en algunas de las comunidades de la sierra ecuatoriana. Sin embargo, en la provincia de Imbabura, se puede decir que en las últimas décadas se han mantenido unos niveles aceptables de diversidad, debido probablemente a la buena gestión realizada para este recurso fitogenético. Por último, mencionar que se detectaron dos grupos de genotipos claramente diferentes, que podrían constituir dos linajes genéticos independientes, existiendo una clara asociación de cada grupo de genotipos con uno de los dos morfotipos de color encontrados en la caracterización morfológica. La conservación de ambos morfotipos podría estar relacionada con los usos de los mismos: el morfotipo mayoritario, con pigmentación más intensa, es muy apreciado por la población nativa ya que utiliza sus inflorescencias para dar coloración a comidas y bebidas típicas; mientras que el morfotipo con una pigmentación menos intensa es exclusivo de la provincia de Imbabura y tiene un importante valor ornamental. ABSTRACT In the present study, a biodiversity analysis in landraces of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) and black amaranth or ataco (Amaranthus quitensis Kunth) traditionally cultivated in the Andean region of Ecuador has been carried out, in order to assess their conservation status. This analysis has been performed through agromorphological and molecular characterization. Likewise, for the first time, germplasm collected in two different periods of time has been analyzed and compared, so that this has allowed us to know the changes suffered in their biodiversity in recent decades With respect to quinoa, 268 accessions have been analyzed, 61 collected during 1978-1988 and 207 between 2014-2015 in the provinces of Chimborazo, Cotopaxi and Imbabura. For the agromorphological characterization, 40 descriptors were selected, 17 of quantitative characters and 23 qualitative. High levels of diversity were detected for most of the characters, quantitative and qualitative. This seems to be related to the exchange and mixing of seeds carried out by farmers in the Andean region of Ecuador, although some introgression of commercial varieties, such as the INIAP-Tunkahuan variety, may have also contributed. When both collects were compared, a large number of significant differences were detected, such that the recently collected accessions presented higher values of plant height, leaf size and yield, as well as different frequencies of pigmentation in different organs or structures of the plant and absence of saponin in most of them. All this could be related to the different way of crop managing and the selection carried out by farmers during the last decades in favor of the mentioned agronomic characters. Accessions groups defined in the dendrogram showed distinctive characteristics regarding characters such as plant height, leaf size and shape, grain size, yield and pigmentation of the main stem, leaf blade and panicle, which are usually of great interest to farmers and plant breeders. Thus, the information obtained through this agromorphological characterization could be used to future quinoa breeding programs in Ecuador, as well as in the management of the quinoa collection conserved in the Germplasm Bank of INIAP-Ecuador. For the molecular characterization, five seedlings per accession (1340 samples) were analyzed separately and the improved variety INIAP-Tunkahuan was used as a reference to detect possible introgression. Eight microsatellite loci were used in this molecular analysis. Very high levels of diversity were detected, up to 1055 different genotypes in the 1340 samples analyzed. In this case, no significant differences were detected between both collects, which may indicate that the high genetic diversity found was already present in the gene pool of quinoa accessions cultivated ancestrally in the Andean region of Ecuador. The analysis of the genetic structure detected the existence of two genetically different groups. In one, 81% of the samples from Imbabura and Cotopaxi remained, and in the other, 90% of those from Chimborazo. This genetic structure could be explained because in Chimborazo only the so-called Chimborazo variety is grown and seed exchanges are carried out mainly between farmers in the province, which would be causing the gene pool of most Chimborazo quinoas to become is increasingly differentiated from that of the other Andean provinces. Regarding the ataco, 139 accessions have been studied, 50 collected during 1981-1986 and 89 between 2014-2015 in the provinces of Imbabura, Tungurahua and Cañar. For the agromorphological characterization, 30 descriptors were selected, 11 of quantitative characters and 19 qualitative. Moderately high levels of variability were found for the quantitative characters and a reduced diversity in the qualitative ones. These results would be reflecting the existence of a reduced gene pool in the germplasm of this minority and underutilized Andean crop in Ecuador. When comparing both collects, practically no significant differences were detected between them, which it seems to indicate that local farmers in the Andean region of Ecuador are carrying out adequate in situ conservation of the native ataco or black amaranth germplasm, at least during the last decades. The different accession groups defined in the dendrogram showed differential characteristics regarding characters such as plant height, inflorescence size, seed size, grain yield per plant, days to physiological maturity, pigmentation of the stem, leaf and inflorescence, and density and attitude of the inflorescence, which are usually of great interest to farmers and plant breeders. Therefore, the information from this agromorphological characterization could serve to promote the use of this plant genetic resource in future amaranth breeding programs in Ecuador, as well as for the management of the amaranth collection conserved in the Germplasm Bank of INIAP-Ecuador. For the molecular characterization, five seedlings per accession (695 samples) were analyzed separately and the improved variety INIAP-Alegría was used as a reference. Nine microsatellite loci were used in this analysis. Low levels of diversity were detected, with a majority genotype (83.6%) and up to 12 accession-private genotypes among the 17 genotypes that were only detected. Neither were significant differences found between both collects, although the accessions collected during 2014-2015 in the provinces of Tungurahua and Cañar showed a drastic reduction in their genetic diversity, since today there is practically only one genotype (G1 > 96%). These results indicate that the native varieties of ataco could be in clear risk of disappearing due to genetic erosion in some of the communities of the Ecuadorian highlands. However, in the province of Imbabura, acceptable levels of diversity have been maintained in recent decades, probably due to good management of this plant genetic resource. Finally, two clearly different groups of genotypes were detected, which could constitute two independent genetic lineages, with a clear association of each genotype group with one of the two color morphotypes found in the morphological characterization. The conservation of both morphotypes could be related to their uses: the majority morphotype, with more intense pigmentation, is highly appreciated by the native population, since it uses its inflorescences to color typical foods and drinks; while the morphotype with less intense pigmentation is exclusive to the province of Imbabura and has an important ornamental value.