Estudios genéticos sobre la estabilidad de la provitamina-A en maíz biofortificado: análisis genético de la enzima CCD1 en semilla e influencia de sequía y bajo nitrógeno en el cultivo.

Abstract

La estabilidad de carotenos PVA de los granos de maíz biofortificados no está plenamente demostrada. Factores enzimáticos y medioambientales influyen en la estabilidad de PVA. El objetivo de este estudio fue elucidar aún más los mecanismos de degradación de los carotenoides con el fin de generar alternativas de mejoramiento genético que contribuyan a una acumulación estable de carotenos PVA en los maíces biofortificados. Para ello se cuantificó el número de copias del gen de CCD1 en el genoma y sus transcritos en granos maduros de maíz y se buscaron polimorfismos en las secuencias de los genes de CCD1 y CCD4 que estuvieran asociados con la estabilidad de carotenos PVA. Adicionalmente, se midieron características físicas y químicas del grano entero y desgerminado para observar la influencia de estos compuestos sobre la estabilidad de carotenoides. Y se evaluaron los efectos de la sequía y el bajo nitrógeno del suelo sobre el contenido de carotenos PVA en un 55 de híbridos de maíz. Los resultados mostraron variabilidad en la cantidades relativas de ARNm de CCD1 entre los genotipos. Ademas, las líneas con mayor cuantificación relativa del ARNm de CCD1 presente en la semilla, presentaron la mayor degradación de β-criptoxantina y β-caroteno. Hubo correlación baja pero significativa del valor k de degradación y concentración de β-criptoxantina con el número de copias relativas del gen CCD1 en el genoma de las 42 líneas de maíz analizadas. Asociaciones altamente significativas con valores log que sobrepasan el umbral se observaron entre el valor k de β-caroteno y SNPs de CCD4. Los valores k de β-caroteno de estas líneas fueron los más altos y forman parte del grupo de genotipos derivados de líneas con alelos mutantes para LcyE y/o CrtRB1. Se observó que las tasas de degradación de los carotenoides fueron más bajas en grano entero en comparación con grano degerminado. Las mayores concentraciones de β-caroteno se encontraron en el endospermo harinoso (r2 = 0.75, p < 0.05) y la mayor concentración inicial de β-caroteno, condujo a la mayor tasa k de degradación. Esta diferenciación en la deposición del β-caroteno puede jugar un papel importante en su estabilidad, haciéndola mas suceptible al medio ambiente. La heredabilidad, la acción génica y la aptitud combinatoria de los carotenoides PVA no se vieron afectadas por el bajo nivel de N2 o el estrés por sequía. Con estos resultados podemos concluir que parte de la degradación de los carotenos en el grano de maíz se explica por el polimorfismo en genes que codifican enzimas como la CCD1 y CCD4. Sin embargo, la diferenciación en el almacenamiento de los carotenos PVA en el grano de maíz también puede jugar un papel importante en su estabilidad. La concentración de PVA en el grano fue inferior en los tratamientos de estrés. Sin embargo, la alta heredabilidad de carotenos PVA y germoplasma superior a 20 µg g-1 de PVA, pueden permitir el desarrollo de nuevas variedades y hacer que las pérdidas por estrés sean intrascendentes. _______________ GENETIC STUDIES ON THE STABILITY OF PROVITAMIN-A IN BIOFORTIFIED MAIZE: GENETIC ANALYSIS OF CCD1 ENZYME IN SEED AND DROUGHT AND LOW NITROGEN EFFECT IN CROP. ABSTRACT: Stability of carotenes PVA in biofortified maize grains is not fully established. Enzymatic and environmental factors influence stability of PVA. The aim of this study was to further elucidate mechanisms of degradation of carotenoids in order to generate alternatives for genetic improvement that contribute to a stable accumulation of PVA carotenes in biofortified maize. For this, copy number of CCD1 gene in the genome and its transcripts in mature grains were quantified and calling variant were in the sequences of the CCD1 and CCD4 genes that were associated with the stability of carotene PVA. Additionally, physical and chemical characteristics of the whole and degerminated kernel were measured to observe the influence of these compounds on the stability of carotenoids. Both effects, drought and low soil nitrogen on the PVA carotene content in 55 maize hybrids were assessed. Results showed variability in relative amounts of CCD1 mRNA among the genotypes. In addition, the lines with higher relative quantification of CCD1 mRNA present in the grain, tend to further degradation of β-cryptoxanthin and β-carotene. There was a low but significant correlation of the k-value of degradation of β-cryptoxanthin and the content of β-cryptoxanthin with relative copy number of CCD1 in the genome of the 42 maize lines analyzed. Highly significant associations with log values exceeding the threshold were observed between the k-value of β-carotene and SNPs of CCD4. The k-values of β-carotene in these lines were the highest and are part of the group of genotypes derived from lines with mutant alleles for LcyE and CrtRB1. It was observed that carotenoid degradation rates were lower in whole kernel compared to degermed kernel. The highest concentrations of β-carotene were found in the floury endosperm (R2 = 0.75, p <0.05) and the highest initial concentration of β-carotene, led to the highest rate of degradation. This differentiation in the deposition of β-carotene can play an important role in its stability, making it more susceptible to environment. Heritability, gene action and combinatorial aptitude of the PVA carotenoids were not affected by low level of N2 or drought stress. With these results we can conclude that part of the degradation of carotenes in corn grain is explained by the polymorphism in genes that encode enzymes such as CCD1 and CCD4. However, differentiation in the storage of carotenes PVA in maize kernel can also play an important role in its stability. PVA content in grain was lower in the stress treatments. However, high heritability of PVA carotenes and germplasm higher than 20 μg g-1 of PVA allows development of new varieties and make stress losses negligible.