Evaluación de estrategias contrastantes para el aumento de la concentración de proteína en semilla de soja: impactos a nivel ecofisiológico y bioquímico
No Thumbnail Available
Date
2017
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
FCA-UNR
Abstract
La concentración de proteína y aceite en la semilla de soja es el principal determinante de
su valor como cultivo. En Argentina, los cultivares más difundidos han sido seleccionados
por alto rinde y poseen baja proteína. Existe, por lo tanto, interés en desarrollar cultivares de
alto rendimiento y alta concentración de proteína (AP). Sin embargo, la obtención de
cultivares con dichos caracteres es dificultosa debido a la correlación negativa
frecuentemente observada entre rinde y proteína.
La hipótesis de trabajo de la tesis es que existen genotipos de soja que expresan
estrategias fisiológicas contrastantes que permiten lograr una alta concentración de
proteína, asociadas al tamaño de la semilla de soja: (a) Genotipos AP semilla grande: alta
concentración de proteína debido a un aumento más que proporcional en el contenido de
proteína en grano (mg semilla−1
) en relación al incremento del contenido de aceite y
carbohidratos, (b) Genotipos AP semilla pequeña: alta concentración de proteína debido a
una reducción más que proporcional en el contenido de aceite y carbohidratos (mg
semilla−1
) en relación a la reducción en el contenido de proteína. La mayoría de los estudios
fisiológicos o de mejoramiento genético ignoran la posible existencia de éstas estrategias
alternativas para lograr cultivares con alta concentración de proteína.
El objetivo general de la tesis es evaluar la existencia de estrategias contrastantes
para la generación de alta concentración de proteína y evaluar su impacto en el
funcionamiento del cultivo y su uso potencial como parental en esquemas de mejora
genética. Los objetivos particulares fueron cuatro: (i) describir la existencia de estrategias
fisiológicas alternativas asociadas a alta concentración de proteína; (ii) analizar las
consecuencias ecofisiológicas a nivel de cultivo de variaciones en la estrategia para generar
alta concentración de proteína; (iii) caracterizar la acumulación de reservas de la semilla y la
expresión de genes asociados a la composición del grano de soja en genotipos que
expresan estrategias contrastantes; y (iv) evaluar la utilidad de incorporar dichas estrategias
en esquemas de cruzamientos para mejorar rinde y proteína.
En relación al Objetivo (i) se caracterizaron 97 cultivares en condiciones de campo y
se encontraron líneas con alta concentración de proteína (~450 g kg−1
) que expresaban las
estrategias alternativas arriba descriptas. A partir de este experimento, se seleccionaron tres
3
genotipos con la estrategia AP-Semilla grande, tres AP-Semillapequeña. Se incluyeron
también tres cultivares comerciales de ciclo similar con tamaño de grano y concentración de
proteína estándar (CC).
El Objetivo (ii) se llevó a cabo utilizando estos 9 genotipos. Asociado a este objetivo,
los CC mostraron una mayor duración del área foliar (~137.6 m2
d
-1
), mayor índice de
cosecha (~0.445 kg kg-1
), mayor rendimiento en nitrógeno (~25.7 g m
−2
) pero la menor
redistribución aparente de nitrógeno cuando se compararon con los genotipos AP. Los
genotipos AP-Semilla grande se asociaron con una mayor cantidad de asimilados por
semilla (~23.8 cm2
semilla-1
). Los genotipos AP-Semillas pequeña mostraron una mayor
área foliar al comienzo de llenado de granos (4.33 m2 m
-2
), muy bajos niveles de asimilados
por semillas y el mayor valor de removilización aparente de N (~40 %).
En relación al Objetivo (iii) la comparación se hizo entre un CC y dos cultivares alta
proteína, un AP-Semilla grande y un AP-Semilla pequeña. El genotipo AP-Semilla grande
tuvo la tasa más rápida y el período más largo de crecimiento de semilla y acumulación de
reservas, en comparación a la estrategia AP alternativa. Los niveles de expresión de
algunos de los genes involucrados en la síntesis de proteína y lípidos fueron los menores en
el genotipo AP-Semilla pequeña en comparación con los otros dos. No se observaron
diferencias de expresión entre el CC y el AP-semilla grande, lo que sugeriría un control por
medio de los asimilados disponibles durante el llenado sobre la determinación de alta
concentración de proteína mediante esta estrategia.
El Objetivo (iv) buscó testear si la correlación negativa entre rendimiento y proteína
(%) de una población derivada del cruzamiento entre un CC y un donante AP, depende de la
estrategia que posee este último. Para testear esto se construyeron 6 poblaciones a partir
de tres parentales CC, tres AP-Semilla grande y tres AP-Semilla pequeña. Las poblaciones
que incluyeron parentales AP-Semilla pequeña resultaron con nula correlación negativa
entre rendimiento y proteína. Mientras que dos de las tres poblaciones que incluyeron
parentales AP-Semilla grande presentaron correlaciones negativas significativas.
Los resultados de esta tesis muestran que los impactos a nivel fisiológico y
bioquímico de la selección para alta concentración de proteínas dependen de la estrategia
fisiológica asociada a AP. Este trabajo provee de nuevos conocimientos acerca de los
controles que rigen sobre la composición de los granos de soja. La identificación de las
estrategias propuestas, su impacto en el funcionamiento del cultivo, y su uso potencial en
programas de mejoramiento son aportes novedosos a un área de estudio importante (la
interrelación entre el metabolismo del N y el rendimiento) que incorpora un aspecto ignorado
en la bibliografía hasta la actualidad.
Developing high protein (HP) cultivars is often precluded by the inverse relationship between protein and yield. We hypothesized that attaining HP concentration based on contrasting seed size impacts crop growth, development and gene expression differently. First, we screened 97 soybean genotypes and found lines with HP concentration (~450 g kg−1 ) associated with (i) increased protein content (mg seed−1 ) in large seed genotypes, and (ii) reduced oil and carbohydrate contents in small seed ones. Second, we evaluated different growth traits in a subset of three HP large and three HP small seed genotypes, as well as in three high-yielding (HY) genotypes with average seed size and protein concentration. We found that HY genotypes had higher leaf area duration, harvest index and nitrogen harvest index, when compared with HP genotypes, regardless of seed size. HP large seed was associated mainly with more assimilate availability per seed during seed filling, while HP small seed showed more canopy biomass production, higher leaf area and nitrogen content per unit area at the beginning of seed fill, more apparent nitrogen redistribution and very low levels of assimilate per seed. Third, we compared a HY genotype with two HP genotypes (large seed size and small seed size) for studying seed development and gene expression. Results showed that the HP large seed genotype exhibited the fastest rate and longest period of seed growth and reserves accumulation compared with the HP small genotype. Expression levels of some of the genes involved in protein and oil synthesis were lower in the HP small seed genotype compared with the other genotypes. No difference in gene expression was observed between the HY and the HP large seed genotypes, suggesting a role for assimilate supply controlling HP concentration based on this strategy. Based on these results, we finally tested if parental selection for HP donors should take into account the contrasting influence of seed size on crop function. To test this hypothesis, we developed breeding populations using HP cultivars crossed with a HP large (crossbreed A) and small (crossbreed B) seed size donors. Our results suggested that there is a higher chance of obtaining high-protein, high-yielding cultivars in crossbreeds B. This thesis provides a new insight in relation to mechanisms that govern soybean seed composition.
Developing high protein (HP) cultivars is often precluded by the inverse relationship between protein and yield. We hypothesized that attaining HP concentration based on contrasting seed size impacts crop growth, development and gene expression differently. First, we screened 97 soybean genotypes and found lines with HP concentration (~450 g kg−1 ) associated with (i) increased protein content (mg seed−1 ) in large seed genotypes, and (ii) reduced oil and carbohydrate contents in small seed ones. Second, we evaluated different growth traits in a subset of three HP large and three HP small seed genotypes, as well as in three high-yielding (HY) genotypes with average seed size and protein concentration. We found that HY genotypes had higher leaf area duration, harvest index and nitrogen harvest index, when compared with HP genotypes, regardless of seed size. HP large seed was associated mainly with more assimilate availability per seed during seed filling, while HP small seed showed more canopy biomass production, higher leaf area and nitrogen content per unit area at the beginning of seed fill, more apparent nitrogen redistribution and very low levels of assimilate per seed. Third, we compared a HY genotype with two HP genotypes (large seed size and small seed size) for studying seed development and gene expression. Results showed that the HP large seed genotype exhibited the fastest rate and longest period of seed growth and reserves accumulation compared with the HP small genotype. Expression levels of some of the genes involved in protein and oil synthesis were lower in the HP small seed genotype compared with the other genotypes. No difference in gene expression was observed between the HY and the HP large seed genotypes, suggesting a role for assimilate supply controlling HP concentration based on this strategy. Based on these results, we finally tested if parental selection for HP donors should take into account the contrasting influence of seed size on crop function. To test this hypothesis, we developed breeding populations using HP cultivars crossed with a HP large (crossbreed A) and small (crossbreed B) seed size donors. Our results suggested that there is a higher chance of obtaining high-protein, high-yielding cultivars in crossbreeds B. This thesis provides a new insight in relation to mechanisms that govern soybean seed composition.
Description
Keywords
Soja, Mejora genética, Concentración de proteínas