Regulación genética durante la imbibición y su relación con la capacidad germinativa del frijol (Phaseolus vulgaris L.) en condiciones con baja disponibilidad de agua

Abstract

El frijol (Phaseolus vulgaris L.) es un grano básico de gran importancia a nivel mundial para la alimentación, esto debido a su alto contenido de proteínas, así como ser fuente de hierro, zinc y vitaminas. Una de las etapas primordiales para el establecimiento de un cultivo es la germinación. La germinación es un proceso que da origen a una planta, que inicia con la absorción de agua (imbibición). El Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS) identificó genotipos de frijol que absorben mucha agua (1,7-3,0 veces su volumen inicial) y genotipos que absorben poca (1,0-1,5 veces de su volumen inicial), durante la imbibición, pero que ambos germinan igual (mayor al 90%). Por lo que, el objetivo de la investigación fue determinar los factores genéticos involucrados durante el proceso de imbibición y la relación de la capacidad germinativa del frijol (Phaseolus vulgaris L.) en condiciones de baja disponibilidad de agua. Con modelos lineales generalizados se determinó que el tamaño de la semilla y el genotipo influyen en la imbibición en los parentales y en la generación F2. La relación entre el tamaño y la imbibición es negativa en los parentales y F2, ya que, al aumentar el tamaño de la semilla, la tasa de imbibición disminuye en 0,29 y 0,38 respectivamente. En la generación F3 no hubo influencia del tamaño de la semilla en la imbibición. Por medio de un análisis de transcriptoma se encontró un total de 6812 genes expresados diferencialmente entre los genotipos de baja y alta imbibición a la primera hora de imbibición. Se encontró que a nivel celular los genotipos G17913 y G16130 (ambos de baja imbibición) presentaron un área mayor en el tamaño de las células del parénquima medular del cotiledón de 3994,29 μm2 y 3163,1 μm2, respectivamente. El genotipo G16885 (con alta imbibición) mostró una mayor velocidad de germinación tanto en condiciones de estrés hídrico (-0,4 MPa, PEG6000) como en el control. En conclusión, los datos sugieren que el fenotipo de imbibición es un rasgo poligénico, con una expresión diferencial de genes entre genotipos de alta y baja imbibición, que es afectado por las características morfológicas externas e internas de la semilla que provoca diferentes tasas de absorción de agua que influyen en la velocidad de germinación.

The bean (Phaseolus vulgaris L.) is a basic grain of great importance worldwide for food, due to its high protein content, as well as being a source of iron, zinc, and vitamins. One of the most important stages for the establishment of a crop is germination. Germination is a process that gives rise to a plant, which begins with the absorption of water (imbibition). The Center for Grain and Seed Research (CIGRAS) identified bean genotypes that absorb water 1.7-3.0 times their initial volume, and genotypes that absorb 1.0-1.5 times their initial volume, during imbibition, but both germinate equally (greater than 90%). Therefore, the objective of the research was to determine the genetic factors involved in the imbibition process and the relationship between germination capacity and conditions of low water availability. Using generalized linear models, it was found that seed size and genotype influence imbibition in the parental and F2 generations. The relationship between size and imbibition is negative in the parental and F2, since, as seed size increases, imbibition rate decreases by 0.29 and 0.38, respectively. In the F3 generation, there was no influence of seed size on imbibition. By transcriptome analysis, a total of 6812 genes were found to be differentially expressed between low and high imbibition genotypes at the first hour of imbibition. It was found at the cellular level that genotypes G17913 and G16130 (both with a low imbibition phenotype) presented a larger area in the medullary cotyledon parenchyma, with cell size of 3994.29 μm2 and 3163.1 μm2, respectively. Genotype G16885 (with high imbibition) showed higher germination speed under both water stress (-0.4 MPa, PEG6000) and control conditions. In conclusion, the data suggest that imbibition is a polygenic trait, with differential gene expression between high and low imbibition genotypes, which is affected by external and internal morphological characteristics of the seed causing different rates of water absorption that influence germination speed.