INTRODUCCIÓN
La papa es un cultivo tradicional de la zona andina. Fue domesticada y sembrada de generación en generación, difundiéndose por toda Sudamérica, a través de la interconexión de los pueblos. Han surgido nuevas variedades y en muchas partes del mundo son cultivadas para consumo masivo (Lascurain, 2012).
En Venezuela, entre las conocidas papas nativas (Solanum tuberosum spp. Andígena) se encuentran ̀̀Arbolona Negraʹ, ̀̀Rosadaʹ, ̀̀Cucubaʹ y ̀̀Reinosaʹ, entre otras. En el tiempo, estas papas han demostrado ser resistentes a insectos, plagas y a climas adversos (Ortega et al., 2005). Pero, sus semillas degeneradas son utilizadas en continuos ciclos de siembra. Por otra parte, las nativas están siendo desplazadas por variedades comerciales y en consecuencia sus superficies de siembras son muy puntuales. (Romero & Monasterio, 2005).
El suministro de unas buenas semillas es el elemento clave para la reintroducción en los campos agrícolas cualquier variedad de interés, por lo tanto, para rescatar la milenaria papa venezolana es necesario plantear alternativas, siendo factible recurrir a los cultivos in vitro para rehabilitar y producir vitroplántulas y/o microtubérculos “semillas” de papa criolla. Sin embargo, son pocos los estudios de propagación bajo condiciones asépticas de nuestras variedades nativas.
Ticona & Oropeza (2013) cultivaron in vitro segmentos nodales de ̀̀Arbolona Negraʹ (Solanum tuberosum spp. Andígenum) y Granola (Solanum tuberosum ssp. Tuberosum) en medio MS semisólido suplementado con vitaminas, nitrato de plata (AgNO3) 0,002 g L-1y sacarosa a 20 g L-1, fueron obtenidas vitroplántulas con área foliar apropiada para los estudios planteados de interacción patógeno - planta.
Otras investigaciones están fundamentadas en la relación nutrientes-desarrollo de las plantas de papa, las mismas han conllevando a una mayor productividad agrícola y aumentar la disponibilidad de semillas con mejor calidad fitosanitaria. Según Dua et al., (2007) el nitrógeno es el nutriente de mayor influencia en la producción de papas, induce el crecimiento de la planta y su formación de tubérculos. (Coraspe et al., (2009) observaron en el invernadero que la absorción del nitrógeno (N) fue en forma de amonio, en las primeras etapas de desarrollo en plantas Solanum tuberosum L., tornándose a nítrica en la formación de tubérculos. A mayor disponibilidad de este nutriente mayor fue el rendimiento y calidad de los tubérculos.
También en los cultivo in vitro se ha comprobado que el nitrógeno favorece el crecimiento de los explantes de papas. El medio básico MS (Murashige & Skoog, 1962), se caracteriza, ante otros medios de cultivo, por su alto contenido de nitratos, amonio y potasio (Huang & Murashige, 1997). Evans (1993) experimentó con distintos genotipos S. tuberosum L., S. sparsipilum y S. oplocense, a partir de segmentos nodales cultivados en un medio MS modificado, usando concentraciones entre: 1,6 - 4,8 g L-1 para nitrato de amonio (NH4NO3) y 2,0- 6,0 g L-1 para nitrato de potasio (KNO3). La tendencia de la respuesta fue un mayor alargamiento de yema a menor concentración de los nitratos, dentro del rango establecido por el investigador.
Particularmente, bajo condiciones controladas y asépticas la respuesta del explante está influenciada por varios factores directos, siendo uno de ellos la disponibilidad de nutrientes, sacarosa y agua. La sacarosa, es la azúcar más usada in vitro, es portadora de carbono e inductora de la morfogénesis, siempre y cuando este dentro del rango de concentración 1-5 % (Galzy, 1990 y Lees et al., 1991). En cambio, la formación de microtubérculos ocurre a concentración de sacarosa al 8%, en medio de cultivo MS (Baker, 1953; Montoya et al., 2008).
Finalmente, todo indica que, fuentes de nitrógenos y sacarosa están muy involucradas en el desarrollo de las plantas de papas, alargamiento de sus yemas, formación de raíces y tubérculos. En esta investigación, partiendo del medio básico MS, fue evaluado el efecto de distintas concentraciones de nitratos y sacarosa en la propagación in vitro de variedades nativas ̀̀Cucubaʹ ̀Arbolona Negraʹ y ̀̀Rosadaʹ. Los explantes inducidos produjeron vitroplántulas y microtubérculos “semillas”. Los resultados obtenidos representan un gran aporte al rescate de los campos de siembra y del circuito agroalimentario de la conocida papa negra del páramo, contemplado dentro del programa interdisciplinario que se lleva a cabo desde el 2006 en la zona de Mucuchíes - Gavidia.- Estado Mérida.
MATERIALES Y MÉTODOS
El experimento se realizó en el Laboratorio de Fitobiotecnología de la Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes.
Material vegetal
Los tubérculos de papas nativas ‘Cucuba’, ‘Arbolona Negra’ y ‘Rosada’, previamente seleccionados en campo bajo el criterio de plantas sanas y de mayor producción, fueron donados por productores de la localidad de Gavidia, Estado Mérida -Venezuela.
Medios de Cultivo
Los medios de cultivos fueron establecidos a partir del medio básico Murashige & Skoog (1962) (MS).
METODOLOGÍA
La propagación in vitro de papas nativas se alcanzó a través de:
a) Micropropagación. Se establecieron los tratamientos a partir del medio básico MS sólidos, modificando las concentraciones de nitratos y sacarosa (tabla 1).
b) Microtuberización. Fue utilizado un medio líquido, modificando el MS en las concentraciones de sacarosa al 8% suplementado con 10 mg L-1BA (tabla 2).
Todos los medios, sólidos y líquido, fueron llevados a un pH 5,6 y esterilizados en autoclave a 15 PSI de presión, 121 ºC por 20 minutos.
Micropropagación
Grelación de tubérculos y obtención de plantas madres.
Una vez limpios, identificados, seleccionados y etiquetados los tubérculos, fueron inducidos a la grelación (brotación de yemas), probando tres ambientes: a) Nevera (4°C) b) Lugares encerrado, secos, oscuro y bajo temperaturas de 18 ± 1 º C. c) Lugares ventilados secos y luz solar no directa a temperatura de 21 ± 1 º C. Luego, los tubérculos grelados fueron sembrados en suelo estéril: tierra negra y arena en la proporción 2:1, regados una vez a la semana y fertilizados una sola vez durante todo el tiempo de siembra, con fertilizante triple 18 NPK, a una concentración de 6 g L-1. El tiempo para obtener las plantas madres fue de mes y medio.
Desinfección, aislamiento y cultivo de explantes.
El procedimiento de desinfección, aislamiento y cultivo de explantes de las tres variedades de papas venezolanas se realizó en cámara de flujo laminar. Los vástagos de las plantas madres fueron cortados en secciones de 10 cm, luego, desinfectados en una solución de alcohol isopropílico al 70 % por 45 segundos y, posteriormente en una solución de hipoclorito de sodio (NaOCl) al 1,5 % más tween-20, por 15 min, para eliminar restos de cloro se lavaron con agua destilada estéril,. Luego se procede a aislar segmentos uninodales de 1,0 a 1,3 cm de longitud se sembraron en tubos de ensayo de 15 cm de longitud x 2 cm de diámetro con 12 ml del medio de cultivo MS básico o modificado (tabla 1), con pH de 5,6. Los cultivos fueron incubados en cámaras de crecimiento con fotoperíodo de 16 h luz, temperaturas de 19±1ºC e intensidad lumínica de 76 μmol m- 2 s-1 luz (fluorescente).
Evaluación de los cultivos ante los efectos de la interacción fuentes nitrogenadas - sacarosa.
Semanalmente se realizaron las siguientes mediciones in vitro: Longitud (cm) de la yema axilar, número de hojas, número de nudos. Formación o no de raíces expresada en porcentaje. Las observaciones finalizaron a las 6 semanas, determinando cual fue el tratamiento (nitratos - sacarosa) que indujo y/o aventajo el desarrollo de vitroplántulas vigorosas.
Después de 40 días en ambiente invernadero fue evaluada la Supervivencia de plántulas, expresada porcentaje (% plántulas vivas ex vitro y/o aclimatadas).
Diseño Experimental.
Fue aplicado un diseño estadístico factorial de dos factores: 1) Tratamiento 2) variedad de papa. Cada factor de tres niveles, es decir, tres tratamientos y tres variedades de papa criolla. Se utilizaron 20 explantes por repetición y por ser tres las réplicas, fueron 60 unidades experimentales por variedad de papa y por cada tratamiento. Conformando una población de 540 explantes en total para todo el experimento (20 explante x 3 cultivares x 3 tratamientos x 3 repeticiones = 540 explantes). Se realizó un análisis de varianza (ANOVA) con un nivel de significancia α ≤ 0,05; donde: Variable dependiente = Crecimiento longitudinal de vástago Variable independiente = tratamientos. Cumpliéndose que, al menos una de las medias de los tratamientos es diferente, se aplicó la comparación de medias a través del método 3T Dunnett.
Los datos obtenidos de crecimiento en longitud de la yema axilar fueron ordenados dentro de un rango de respuesta máxima y mínima de crecimiento, luego procesados y analizados a través del paquete estadístico SPSS versión 15.0.
Microtuberización.
Las vitroplántulas resultantes sin ser extraídas y con su sistema radical desarrollado hasta el fondo del tubo de ensayo (figura 1), fueron tratadas con MS líquido, modificando la concentración de sacarosa a 80 gr L-1 y suplementado con BA a 0,010 g L-1 (Baker, 1953; Lugo, 2009), (tabla 2). Luego incubadas a completa oscuridad y cada veinticinco días se renovó el medio. A los tres meses, se contó el número de microtubérculos y el desarrollo de los microtubérculos, expresado en diámetro (cm).
Tiempo de observación microtuberización a los 3 meses de cultivo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Micropropagación.
Grelación de tubérculos y obtención de plantas madres.
Se alcanzó la brotación múltiple en los tubérculos de las tres variedades de papas `Cucubaʹ ̀̀ Arbolona Negraʹ y ̀̀Rosadaʹ, la mejor condición para inducirla fue almacenando los tubérculos nativos en lugares ventilados, bajo temperatura de 21 °C y luz solar no directa, resultando a la quinta semana un gran número de brotes cortos, vigorosos, que se alargaron y enraizaron originando plantas madres sanas (figuras 2 y figura 3). Este tiempo coincide con el reportado por Malagamba (2001), además señala que la brotación múltiple es una condición básica para proceder a la siembra del tubérculo en tierra. El definir las condiciones ambientales para inducir una buena grelación del tubérculo, garantizó la vigorosidad de las plantas madres de papa nativa.
Efecto de los tratamientos fuentes de nitratos y sacarosa en la micropropagación (alargamiento de vástago y enraizamiento) hasta obtener vitroplántulas.
En general, los segmentos nodales aislados y cultivados, después de la sexta semana de cultivo, expresaron su potencial de respuesta en el alargamiento de yemas axilares, número de nudos y hojas (tabla 3 y figura 4).
El desarrollo longitudinal de la yema axilar estuvo comprendido dentro de un rango 2,60- 6,70 cm
5,30 - 6,70 cm = máximo crecimiento.
3,24 - 5,29 cm = crecimiento intermedio
2,60 - 3,23 cm = mínimo crecimiento
Máximo Crecimiento (T3): se presentó desde el inicio un acelerado crecimiento en los segmentos nodales cultivados en medio básico MS modificado: 1,98 g L-1 nitrato de amonio (NH4NO3) 2,28 g L-1 nitrato de potasio (KNO3) y 20,00 g L-1 de sacarosa, fueron obtenidos vástagos vigorosos con longitud promedio de 5,82 cm, hasta con 18 hojas extendidas de color verde intenso y con presencia de un sistema radical desarrollado, independientemente del cultivar de papa criolla tratada (figura 4 y 5). Crecimiento Intermedio (T2): Sólo modificando el medio básico MS en las concentraciones de las fuentes nitrogenadas: 1,75 g L-1 nitrato de amonio (NH4NO3) y 2,00 g L-1 nitrato de potasio (KNO3), se presentó un alargamiento de vástago, pero, no mayor que los desarrollados en T3, alcanzaron longitud promedio de 4,28 cm, 3 a 4 hojas y sin formación de raíces (figura 6). Mínimo Crecimiento: El menor alargamiento de yema fue observado en T1 (tratamiento control, medio básico MS) la longitud promedio alcanzada fue de 2,94 cm., además los vástagos se caracterizaron por ser pálidos, con 2 a 3 hojas y sin desarrollo radicular.
El análisis estadístico para un α ≤ 0,05 señala que hubo diferencia significativa entre los tratamientos, al menos una de las medias difiere con respecto a la media global 4,35 cm (tabla 3). Por otra parte, el valor de significancia 0,780 (tabla 4- ANOVA) reitera que no existió interacción entre tratamiento - variedad de papa, es decir, un tratamiento en particular no beneficio más a una variedad de papa que a otra, la tendencia de respuesta fue siempre la misma en todas las variedades nativas, presentaron la mayor inducción de alargamiento de vástago en T3 y la menor inducción en T1.
Al comparar T3 de máxima respuesta con T1 (control) y con T2, se evidenció la dependencia entre las concentraciones de nitratos - sacarosa y la inducción de la respuesta in vitro. Ocurrió que a mayor concentración de las fuentes nitrogenadas y menor concentración de sacarosa (T3), fue mayor alargamiento del vástago de la papa nativa, aumentó el número de sus nudos, hojas y desarrollo de raíces, llegando a la formación de vitroplántulas. Existe una relación directa entre la concentración de sacarosa presente en el medio de cultivo y el desarrollo del explante (Galzy & Compan 1992).
La sacarosa es esencial para un rápido crecimiento heterotrófico del tejido vegetal, ya que la producción de energía y carbohidratos por fotosíntesis es muy poca en estos ambientes in vitro (Leifert et al., 1995). En este caso, al bajar la concentración de sacarosa del medio de cultivo, los explantes de papa nativa para asegurar su crecimiento ante la faltante fuente de carbono recurrieron: a) alargar su yema axilar, desarrollando la máxima cantidad de nudos y hojas, aumentando así la actividad fotosíntesis. b) el vástago, a la vez, fue inducido a enraizar, buscando y tratando de absorber nutrientes del medio. Sin embargo, es factible pensar que el desarrollo de los vástagos haya sido más por la actividad fotosintética, aunque limitada, y no por la absorción y asimilación de los nutrientes a través de la raíz recién formada. Pues, las raíces in vitro presentan conexiones vasculares muy débiles, defectuosas carecen de pelos radícales, siendo su capacidad de absorción casi nula o nula (Grout & Aston, 1977).
Por otra parte, al bajar la concentración de sacarosa el potencial osmótico del medio tiende hacerse más positivo, favoreciendo probablemente la disponibilidad y asimilación de las altas concentraciones de fuentes nitrogenadas y demás nutrientes componentes del medio de cultivo (T3), lo cual a su vez, contribuyeron al desarrollo del vástago de la papa estudiada. La efectividad y disponibilidad de las fuentes de nitrógeno reducida, como son los nitratos, se refleja en mayor tasa de crecimiento de la yema axila, número y tamaño de hojas (Avila et al., 1994). La disponibilidad de nutrientes está sujeta al potencial osmótico y al balance iónico del medio de cultivo, independientemente de la especie cultivada (George et al., 1993; Leifert et al., 1992; Pierik, 1990). Cuanto más positivo sea el potencial osmótico del medio, mayor será la absorción de agua y de nutrientes (Molinos et al., 2004; Segovia, 1987).
Según, Cardenas & Villegas (2002) son muchos los investigadores que apuntan hacia la baja concentración de sacarosa para inducir el enraizamiento in vitro. Bajo este criterio, fue inducido el enraizamiento de los vástagos de papa nativa. Nuestros resultados coinciden con Raya (2009) se formaron raíces en portainjertos de vid cuando fueron cultivados en medio MS con baja concentración de sacarosa dentro de un rango 15-10 g L-1.
Caso contrario, (T2) la concentración de sacarosa a 30 gr L-1, causo un efecto morfogénico negativo, no hubo rizogénesis, aun así, con las existencias de mayor cantidad de la fuente de carbono en el medio de cultivo pudo inducir el crecimiento del vástago (Sawwan et al., 1998; Paz & Villegas, 2009). Los vástagos in vitro toman la sacarosa del medio de cultivo con gran facilidad (Aragón et al., 2004) supliendo así la falta de fotosíntesis, que junto a la metabolización de las fuentes nitrogenadas y otros nutrientes indujeron a un mediano alargamiento de los vástagos de papa nativa, desarrollando solo 2 o 3 hojas y 2 nudos, presenciando una baja actividad fotosintética.
La respuesta de las especies, variedades o /y cultivares no solo obedece al ambiente de cultivo sino también al genotipo, en este caso, entre las variedades de papas nativas, hubo diferencia significativa. Es decir, uno de las variedades alcanzó las mejores y mayores vitroplántulas. Independientemente del tratamiento `Cucubaʹ alcanzo el mayor crecimiento de vástago, en promedio 5,04 cm. de longitud, en cambio `Arbolona Negraʹ alcanzo un alargamiento en promedio de 4,16 cm. diferente a la papa ‘Rosadaʹ 3,83 cm. Estas dos últimas estadísticamente no presentan diferencias significativas.
El crecimiento de vástagos en `Cucubaʹ para un α ≤ 0,05, siguió una distribución normal, no obstante, las respuestas de los otros dos cultivares se desviaron moderadamente del supuesto de normalidad del ANOVA, por lo que no es una prueba exacta, sin dejar de reconocer que el factor “cultivar papa”, redujo el error aleatorio y fue útil para mejorar la precisión de las comparaciones de medias entre tratamientos.
Según, Montgomery (1991); Aron & Aron (2002) la distribución F del ANOVA se basa en el cumplimiento de dos supuestos fundamentales normalidad y homocedasticidad. Los autores coinciden en afirmar que, para los modelos balanceados de efectos fijos, pueden confiarse en los resultados aún si las variables se alejan un poco de la normalidad, pues el ANOVA es robusto o consistente y se mantiene la validez de los resultado, lo cual es confirmado a través de la prueba de comparaciones de medias (tabla 5).
Con la comparación de medias se confirmó que, las tres variedades fueron mayormente inducidas por T3, a diferencia del resto de los tratamientos, desarrollaron vástagos enraizados con la mayor altura promedio. El registro de formación de raíces fue del 100%. Según Ruscitti et al., (2000) la formación de raíces in vitro aligera la adaptación de las vitroplántulas y posterior sobrevivencia en el proceso de aclimatación.
Aclimatación de vitroplántulas.
Fue exitoso el proceso de aclimatación para las vitroplántulas de las tres variedades de papas nativas al establecerlas bajo las condiciones óptimas: cultivadas en un sustrato sano, con buen drenaje (Hartmann & Kester, 1995), temperatura de páramo 18 ± 1°C y una elevada humedad relativa, lograda a través de la bolsa de papel celofán (figura 7), se evitó el estrés de las plántulas recién transplantadas, es decir se evitó una transpiración excesiva y permitió el desarrollo de los estomas y cutícula. (Haggman et al., 1999). Además, la alta humedad dio la oportunidad a las raíces malformadas in vitro desarrollar raíces laterales normales y activas (Apter et al., 1993b), facilitando a la vitroplantulas su adaptación a las condiciones de invernadero (figura 8).
Microtuberización.
Otra forma de propagación in vitro alcanzada fue a través de la inducción de vitroplántulas a producir microtubérculos, resultando cada vitroplántula `Cucuba`, con una producción promedio de 1 a 3 microtubérculos, mientras papa negra y rosada alcanzaron de 1 a 2 microtubérculos por planta. Con un diámetro entre 0,60 cm a 1,2 cm (figura 9). Pérez et al., (2001) indican la baja producción de la papa comercial cultivada in vitro, un sólo microtubérculo máximo por planta, además, muy pequeño. En general, se ha catalogado la microtuberización como procesos morfo-fisiológicos complejos, muchos de ellos aún no comprendidos, altamente coordinados e influenciados por variables genéticas, nutricionales y ambientales (Villafranca et al., 1998). En estos procesos, suele presentarse vitroplántulas con hiperhidricidad, no fue nuestro caso, posiblemente la renovación del medio de cultivo líquido cada 25 días lo haya evitado. El contacto intermitente entre el material vegetal y el medio de cultivo, con una frecuencia y tiempo determinado, puede reducir la hiperhidricidad (Aiken, 1991).
Las condiciones de cultivo en oscuridad parece causar la detención del desarrollo de las vitroplántulas nativas, no obstante, fueron inducidas a formar microtubérculos. Estrada et al., (1986); Gopal et al., (1998) señalan lo necesario de la oscuridad, pues la misma acelera el proceso de microtuberización. Además, la alta concentración de sacarosa actúa como componente estructural, es la fuente carbonada más abundante en el ensanchamiento de los estolones (yemas axilares) se convierte en almidón y desarrolla los microtubérculos (Khuri & Moorby, 1995; Vreugdenhil et al.,1999; Veramendi et al., 1999) la mayoría de los microtubérculos se forman en las yemas axilares (puntos meristemáticos) y algunos pueden formarse en el medio de cultivo (Hussey & Stacey, 1984) los dos caso se presentaron en esta investigación (figura 10). Probablemente, los microtubérculos nunca se forman en la yema apical por el alto contenido de auxina propio de esta zona (Okazawa, 1959).
Otra respuesta observada en los microtubérculos nativos fue la regeneración de sus yemas desarrollando vástagos in vitro obteniéndose nuevas vitroplántulas (figura 11).
A partir de esta investigación y hasta la fecha, hemos obtenido resultados prometedores. Se ha logra la propagación in vitro de cuatro variedades más de las llamadas papas nativas o papa negra del páramo.
CONCLUSIONES
Fueron estandarizadas las condiciones para la propagación in vitro de las papas `Cucubaʹ`Arbolona Negraʹ y `Rosadaʹ, los resultados son prometedores y representan un gran aporte al rescate de los campos de siembra y al circuito agroalimentario de la conocida papa negra del páramo, contemplado dentro del programa interdisciplinario que se lleva a cabo desde el 2006 en la zona de Mucuchíes - Gavidia.- Estado Mérida.
La inducción de la micropropagación de `Cucubaʹ `Arbolona Negraʹ y` Rosadaʹ estuvo directamente relacionada con las concentraciones aplicadas de las fuentes de nitratos y sacarosa componentes del medio de cultivo MS: Nitrato de amonio a 1,98 mg L-1, nitrato de potasio a 2,28 mg L-1 y sacarosa a 20 g L-1, fueron obtenidas vigorosas vitroplántulas “semillas”, con vástagos enraizados de 5,82 cm. longitud promedio, 15 nudos y 15 hojas verdes y extendidas. Entre las variedades `Cucubaʹ fue la de mayor crecimiento, presentó vástagos enraizados de 6,70 cm promedio con 18 nudos y 18 hojas desarrolladas.
Menor inducción se presento a concentraciones: 1,75 g L-1 nitrato de amonio (NH4NO3), 2,00 g L-1 nitrato de potasio (KNO3) y sacarosa a 30g L.1, en ninguna de las tres variedades de papas analizadas hubo rizogénesis. La fuente carbonada suplió la actividad fotosintética, permitiendo la asimilación de los nitratos y demás nutrientes del medio de cultivo, favoreciendo un mediano alargamiento del vástago de 4,28 cm de longitud promedio, con 2 o 3 nudos y hojas.
Con el medio básico MS (tratamiento control) no hubo inducción del crecimiento en ninguna de las variedades de papas nativas.
Microtubérculos “semillas” de `Cucubaʹ `Arbolona Negraʹ y` Rosadaʹ, fueron obtenidos a partir de vitroplántulas, las cuales, por las nuevas condiciones de cultivo in vitro, mostraron estrés y cierta detención del crecimiento, mientras que, en sus yemas axilares la sacarosa al 8% (fuente abundante de carbono) fue convertida en almidón y desarrollaron los microtubérculos.