SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.11 número1Postharvest respiration of fruits and environmental factors interaction: An approach by dynamic regression modelsNueva variedad de camote ( Ipomoea batatas L. Lam.) con mejores características agronómicas y comerciales índice de autoresíndice de assuntospesquisa de artigos
Home Pagelista alfabética de periódicos  

Serviços Personalizados

Journal

Artigo

Indicadores

  • Não possue artigos citadosCitado por SciELO

Links relacionados

  • Não possue artigos similaresSimilares em SciELO

Compartilhar


Scientia Agropecuaria

versão impressa ISSN 2077-9917

Scientia Agropecuaria vol.11 no.1 Trujillo jan./mar 2020

http://dx.doi.org/10.17268/sci.agropecu.2020.01.04 

Artículos originales

Identificación de genes relacionados con la tolerancia a la sequía en 41 variedades de quinua ( Chenopodium quinoa Willd)

Identification of genes related to drought tolerance in 41 varieties of quinoa ( Chenopodium quinoa Willd)

F. Serna*  1 

J.D. Montenegro1 

W. Cruz1 

G. Koc1 

1Instituto Nacional de Innovación Agraria. La Molina 15024, Lima, Peru.

Resumen

El objetivo de la investigación fue identificar los genes relacionados con la tolerancia a la sequía en la quinua. Para ello, se evaluaron 41 variedades de Chenopodium quinoa Willd con seis repeticiones; en la etapa de floración, se seleccionaron al azar tres macetas/material, de cada variedad, para ser inducidas a sequía total por dos semanas, reanudándose el riego después de ese periodo, las otras tres fueron el control. A partir del día 27 después de la siembra, se midió el nivel de clorofila y se clasificó como tolerante o susceptible a la sequía, en función de su índice de contenido clorofila (ICC). Para la identificación de genes se tomaron muestras de hoja de tres variedades (Red head, Salcedo INIA y Kankolla 1). La Extracción del ARN se realizó usando el reactivo reagent(r) TRI y para el secuenciamiento de transcriptomas se utilizó la plataforma de Ilumina. Se identificaron 26 genes en las tres variedades de quinua, pero en las variedades tolerantes a la sequía; tres de ellos son regulados al alza ante la exposición a la sequía y cinco genes (AUR62037809, AUR62000271, AUR62037807, AUR62042825 AUR62009791) tienen un cambio en su patrón de expresión como consecuencia de la exposición a la sequía.

Palabras clave: quinua; RNA-Seq; transcriptoma; sequía; Clonación al Azar

Abstract

The objective of the research was to identify the genes related to drought tolerance in quinoa. For this, 41 varieties of Chenopodium quinoa Willd were evaluated with six repetitions; in the flowering stage, three pots/material, of each variety, were randomly selected to be induced to total drought for two weeks, resuming irrigation after that period, the other three were the control. From day 27 after sowing, the chlorophyll level was measured and classified as tolerant or susceptible to drought, based on its chlorophyll content index (CCI). For the identification of genes, leaf samples of three varieties were taken (Red head, Salcedo INIA and Kankolla 1). RNA Extraction was performed using reagent(r) TRI reagent and for the transcriptome sequencing the Ilumina platform was used. 26 genes were identified in the three varieties of quinoa, but in the drought tolerant varieties; three of them are regulated upwards when exposed to drought and five genes (AUR62037809, AUR62000271, AUR62037807, AUR62042825 AUR62009791) have a change in their pattern of expression as a result of drought exposure.

Keywords: quinoa; RNA-Seq; transcriptome; drought; Random Cloning

Introducción

La quinua (Chenopodium quinoa Willd) es un importante cultivo nativo andino (Graf et al., 2016), originaria del Ande Sudamericano (Nuñez, 2015; Vidueiros et al., 2015), fue domesticada hace más de 7000 años (Bazile et al., 2016a). Ha sido protegida y conservada por las poblaciones indígenas de América del Sur (Bojanic, 2011). Está adaptada para crecer en una gran variedad de sistemas agrícolas, particularmente en la meseta andina a más de 3500 m.s.n.m. y ha desarrollado tolerancia a varios tipos de estrés abiótico como a la helada, sequía, salinidad (Ruiz, 2016) y a diferentes tipos de suelo (Bazile et al., 2016a). Sin embargo, presenta baja tolerancia al calor (Bazile et al., 2016a), pero buenas cualidades nutricionales (Ahumada et al., 2016); contiene entre 13,81 y 21,9% de proteínas, más aún la calidad de estas son del tipo albúmina y globulina (Nuñez, 2015). Es considerada como el único alimento vegetal que contiene todos los aminoácidos esenciales y es rica en vitaminas, minerales, ácidos grasos y fibra (Avalos, 2016; FAO, 2018), lo que podría resolver problemáticas de seguridad alimentaria (Bazile et al., 2016b). En las últimas décadas ha surgido el interés por cultivar la quinua fuera de Sudamérica (Bazile y Baudron, 2014; Ramírez et al., 2016). Esto, debido a su riqueza nutricional, así como a su habilidad para adaptarse a un amplio rango de condiciones agroecológicas y a su alto nivel de resistencia en ambientes marginales (Iqbal, 2015). En el año 2013, a la quinua se le otorgó un alto perfil como cultivo con el potencial de crecer en importancia en la agricultura mundial (Ruiz et al., 2016).

La habilidad adaptativa a diferentes ambientes del cultivar dentro de una especie radica en gran medida a su diversidad genética (Gilchrist et al., 2006). En Sudamérica el mejoramiento genético de la quinua se ha enfocado en desarrollar variedades de semillas grandes, de tipo dulce y amarga, con un mayor potencial de rendimiento (Zurita-Silva et al., 2014). Se han realizado estudios sobre los efectos del estrés de sequía temprana en quinua (Morales et al., 2011) y sobre el impacto del estrés hídrico y salino en las plantas de quinua (Aly et al., 2018). Sin embargo, no hay estudios realizados a la fecha que se enfoquen a profundidad sobre los genes que son resistentes a la sequía en esta especie. Por otro lado, la quinua es un alotetraploide con un número básico de cromosomas de 9 (2n = 4x = 36), con un tamaño genómico de aproximadamente 1,5 Gbp (Kolano et al., 2016), que exhibe herencia disómica para la mayoría de los caracteres cualitativos y es principalmente autógama (Ward, 2000). En las plantas superiores el estudio de herencia monoparental y biparental se ha basado en estudios de genes del cloroplasto, dado que por su haploidía presenta una sola copia (Mulo et al., 2009). El objetivo de este trabajo fue identificar los genes relacionados con la tolerancia a la sequía en la quinua (Chenopodium quinoa Willd).

Materiales y métodos

La presente investigación fue conducida en el Invernadero del Centro Experimental y Laboratorio Multipropósito del Instituto Nacional de Innovación Agraria (INIA), distrito de La Molina, departamento de Lima, Perú. Localizado a 12° 4' 36,03'' S y 76° 56' 42,857'' O con una altitud de 112 m.s.n.m.

Tabla 1 Lista de variedades de plantas 

Código Nombre Región País
1 cq01 Red head USA
2 cq02 INIA 431 - Altiplano Puno Perú
3 cq03 Illpa INIA Puno Perú
4 cq04 INIA 415 - Pasankalla Puno Perú
5 cq05 Salcedo INIA Puno Perú
6 cq06 INIA 420 - Negra Collana Puno Perú
7 cq07 Blanca de Junín Junín Perú
8 cq08 Huancayo Junín Perú
9 cq09 INIA 433 - Santa Ana/AIQ/FAO Junín Perú
10 cq10 Hualhuas Junín Perú
11 cq11 Compuesto A Junín Perú
12 cq12 Compuesto B Junín Perú
13 cq13 Chucuito Lima Perú
14 cq14 Compuesto Tolerante a Sequía Rojo Puno Perú
15 cq15 Compuesto Tolerante a Sequía Amarillo Puno Perú
16 cq16 Compuesto Tolerante a Sequía Rosado Puno Perú
17 cq17 Compuesto Tolerante a Sequía Anaranjado Puno Perú
18 cq18 Compuesto Tolerante a Sequía Blanco grano grande Puno Perú
19 cq19 Compuesto Tolerante a Sequía Blanco grano pequeño Puno Perú
20 cq20 Misquinua Puno Perú
21 cq21 Compuesto Tolerante a Sequía Purpura Puno Perú
22 cq22 Compuesto Tolerante a Sequia Rosado medio Puno Perú
23 cq23 Compuesto Tolerante a Sequía negro Puno Perú
24 cq24 Quillahuaman Cusco Perú
25 cq25 Amarillo Marangani Cusco Perú
26 cq26 Amarillo Sacaca Cusco Perú
27 cq27 INIA 433 - Santa Ana/AIQ/FAO Cusco Perú
28 cq28 INIA 431 - Altiplano Cusco Perú
29 Cq29 Salcedo INIA Cusco Perú
30 cq30 Illpa INIA Lima Perú
31 cq31 INIA 415 -Pasankalla Cusco Perú
32 cq32 INIA 420 - Negra Collana Cusco Perú
33 cq33 Blanca de Junín Cusco Perú
34 cq34 Hualhuas Cusco Perú
35 cq35 Huancayo Cusco Perú
36 cq36 Kancolla 1 Puno Perú
37 cq37 Kancolla 2 Puno Perú
38 cq38 Kancolla 3 Puno Perú
39 Cq39 Kancolla 4 Puno Perú
40 cq40 Real Boliviana Amarillo Puno Bolivia
41 cq41 Real Boliviana Rojo Puno Bolivia

El material vegetal utilizado fue de la especie Chenopodium quinoa Willd, obtenida de la Colección Nacional de Germoplasma de Quinua del Perú (Tabla 1). El experimento se condujo en invernadero bajo iguales condiciones de temperatura, humedad e iluminación. Las macetas utilizadas eran de 22 cm de profundidad x 29 cm de diámetro, el suelo utilizado fue esterilizado y estuvo conformado por abono orgánico y vermiculita (~ 280 g/maceta).

Se cultivaron 41 variedades de Chenopodium quinoa Willd, cinco semillas de cada variedad en una maceta, se realizó seis réplicas (30 plantas por accesión). Las plantas recibieron el primer día una irrigación de aproximadamente (200 ml/bote), Además se añadió, cada 48 horas, una solución de agua hidropónica (100 ml/bote). 27 días después de la siembra, de las seis macetas de cada variedad, se seleccionaron al azar tres macetas para ser expuestas a una sequía completa (tratamiento) durante dos semanas. Luego de ese periodo se reanudó el riego regular. Las tres macetas restantes (control) continuaron con el sistema de riego.

La clasificación de las 41 variedades como tolerantes o susceptibles a la sequía se basó en la comparación del índice de contenido clorofila (ICC) del control y del tratamiento de cada variedad. El ICC fue medido en prefloración, floración y posfloración utilizando el medidor MC-100 CCI (instrumentos Apogee). Se realizaron tres comparaciones de cada variedad: control de prefloración-posfloración y sequía posfloración.

Secuenciación de ARN

El ARN total fue extraído a partir de las hojas usando el reactivo reagent(r) TRI, siguiendo el protocolo de la compañía proveedora. Sin embargo, en el paso final del protocolo se realizó una precipitación adicional con acetato de sodio pH 5,2. Las librerías se prepararon a partir de ARN total utilizando el kit TruSeq Strandedm RNA (Illumina) siguiendo las recomendaciones del fabricante. La secuenciación se realizó con el sistema NovaSeq 6000 (Illumina) por 200 ciclos (2 x 100 pb).

Análisis diferencial de expresión génica

Los adaptadores fueron seleccionados y retirados junto con los tramos de baja calidad usando el programa Trimmomatic v0.36 (Bolger et al., 2014), con los parámetros siguientes SLINGWINDOWS: 4: 15 y MINLEN: 75. Las librerías limpias se evaluaron con el programa FastQC (Wingett y Andrews, 2018) y se mapeó al genoma de referencia de Chenopodium quinoa Cq_PI614886_V1_pseudomolecule (Jarvis et al., 2017) utilizando el alineador STAR v2.7a (Dobin et al., 2013) con parámetros estándar. Las alineaciones ordenadas por coordenadas (BAM) se utilizaron para producir una tabla de conteo utilizando el Programa featureCounts del paquete Subread v1.6.4 (Liao et al., 2013) con parámetros estándar.

El análisis de expresión génica diferencial se realizó con el paquete estadístico R usando la librería bioconductor edgeR v3.26.5 (Robinson et al., 2010; McCarthy et al., 2012). Se realizó un filtrado inicial de los genes de recuento bajo (logCPM <= 1 en menos de 3 bibliotecas) antes de la normalización del recuento con la media recortada de los valores M (TMM). La estimación de dispersión, el ajuste del modelo binomial negativo y la prueba de expresión diferencial se realizaron utilizando el método de cuasi likelihood (QLF). Se seleccionaron resultados significativos utilizando un umbral de FDR <= 1e-2 y LFC > = 1. Se produjeron mapas de calor (Heat maps) de genes expresados diferencialmente con el programa Complex Heamap v2.0.0 (Gu et al., 2016).

Análisis funcional

Los genes seleccionados fueron anotados funcionalmente con la herramienta en línea InterProScan v5.0 (InterPro, 2019).

Resultados y discusión

Selección de plantas e índice de contenido de clorofila

En la Tabla 2 se muestran las variedades de Chenopodium quinoa Willd clasificadas como tolerantes y susceptibles a la sequía. Las variedades evaluadas presentaron una respuesta fisiológica diferente a la sequía, principalmente durante el proceso posterior a la floración; cq01, fue la variedad más susceptible, disminuye su contenido de clorofila al sexto día de estrés por sequía y recupera su nivel de clorofila 14 días después de recibir nutrientes y agua. Ello se debe a la capacidad de la quinua en recuperar rápidamente su nivel fotosintético anterior y su área foliar después de un período de sequía (Jacobsen, 2009). Mientras que, cq05 y cq37 muestran mejor respuesta a la exposición a la sequía, Según Issa et al. (2019) la tolerancia de la quinua a la sequía sea el resultado de su capacidad para mantener el estado de salud celular. Similar resultado fue reportado por INIA (2013) para la variedad cq05; sin embargo, Apaza et al. (2013) reportaron moderada tolerancia a la sequía acq05 y tolerante a la sequía a cq37. Mientras que, Al-Naggar et al. (2017) y Iqbal et al. (2018) reportaron los genotipos CICA-17 y, 2-Want e IESP como tolerantes a la sequía respectivamente.

Tabla 2 Variedades tolerantes y susceptibles a la sequia 

Tolerante Susceptible
cq03 Ilpa INIA cq01 Red head
cq04 INIA 415- Pasankalla cq02 INIA 431-Altiplano
cq05 Salcedo INIA cq07 Blanca de Junín
cq06 INIA 420 -Negra Collana cq08 Huancayo
cq12 Compuesto B cq09 INIA 433 - Santa Ana /AIQ/FAO
cq23 Compuesto tolerante a sequía cq10 Hualhuas
cq27 INIA 433 - Santa Ana /AIQ/FAO cq11 Compuesto A
Cq29 Salcedo INIA cq13 Chucuito
Cq30 Ilpa INIA cq14 Compuesto Tolerante a Sequía Rojo
Cq31 INIA 415-Pasankalla cq15 Compuesto Tolerante a Sequía Amarillo
Cq32 INIA 420-Negra Collana cq16 Compuesto Tolerante a Sequía Rosado
Cq33 Blanca de Junín cq17 Compuesto Tolerante a Sequía Anaranjado
Cq34 Hualhuas cq18 Compuesto Tolerante a Sequía Blanco grano grande
Cq35 Huancayo cq19 Compuesto Tolerante a Sequía Blanco grano pequeño
Cq36 Kankolla 1 cq20 Misiquina
Cq37 Kankolla 2 cq21 Compuesto tolerante purpura
Cq38 Kankolla 3 cq22 Compuesto tolerante
Cq40 Real Boliviana amarillo cq24 Quillahuaman
cq25 Amarillo marangani
cq26 Amarillo Sacaca
cq28 INIA431 Altiplano
cq39 Kankolla 4
cq41 Real Boliviano rojo

Tabla 3 Librerías de las tres variedades 

Librería Total de lecturas (PE) Trimmed Mapedo Mapeado (%) Asignado Asignado (%)
s1 21235460 15958645 13195695 82,69% 22010142 83,40%
s2 26042624 17496768 15207256 86,91% 25870676 85,06%
s3 21359320 23116067 15634594 67,64% 22739986 72,72%
s4 22487349 19291454 17032021 88,29% 28937511 84,95%
s5 18934513 19080219 15951328 83,60% 25563908 80,13%
s6 20138341 19107699 15765109 82,51% 26643179 84,50%
s7 17652281 16883653 13686491 81,06% 22531919 82,31%
s8 20785782 21192538 18304907 86,37% 30238746 82,60%
s9 25020732 17311826 8832200 51,02% 10043666 56,86%
s10 24709355 21110813 17642316 83,57% 29490980 83,58%
s11 22510468 21071159 18805370 89,25% 30170053 80,22%
s11_b 23463593 19528151 8691231 44,51% 10393715 59,79%
s12 18440773 18869351 16250968 86,12% 26759953 82,33%
s13 23263746 21047103 18311306 87,00% 30081114 82,14%
s14 24915800 21931420 19467683 88,77% 32451811 83,35%
s15 20059027 20337430 17879369 87,91% 29700693 83,06%
s16 24172363 21864578 19560180 89,46% 32772462 83,77%
s17 21520144 23053829 19743744 85,64% 32880582 83,27%
s18 22306438 21186853 18632001 87,94% 32290632 86,65%
s19 20974163 18248062 16266915 89,14% 27218929 83,66%
s20 24269140 21458480 19084316 88,94% 32580420 85,36%
s21 17847231 19303327 17384596 90,06% 29927863 86,08%
s21_b 21781546 19968566 16421097 82,23% 27245013 82,96%
s22 19525463 23243950 20674874 88,95% 36178582 87,49%
s23 23236139 18135367 15452969 85,21% 26373832 85,34%
s24 20074005 22134633 19736612 89,17% 34089813 86,36%
s25 14365584 19725364 17502019 88,73% 30140595 86,11%
s26 20460588 19052930 16487966 86,54% 27492948 83,37%
s27 20075552 18780641 15308324 81,51% 25771809 84,18%
s28 22344813 2196843 1915365 87,19% 2979298 77,77%
s29 22788852 15967918 12131351 75,97% 18757880 77,31%
s30 25126159 20322328 18340595 90,25% 31130610 84,87%
s31 21081252 18255301 15913717 87,17% 26926513 84,60%
s32 21249826 12071401 8701460 72,08% 13835950 79,50%
s33 20623528 17598152 15397344 87,49% 26155554 84,94%
s34 18807678 17427587 15242037 87,46% 25953891 85.,14%
s35 21664660 21624342 18328768 84,76% 31425594 85,73%
s36 22350282 24566008 21931894 89,28% 37919484 86,45%

Tecnología de secuenciación de ARN (RNA-seq)

En total se produjeron y secuenciaron 12 librerías (Tabla 3) por variedad (seis en prefloración, tres controles posfloración y tres sequías posfloración). En promedio, se produjeron 21 millones de lecturas emparejadas por librería (42 millones de lecturas) y alrededor del 10% de las lecturas se eliminaron después del recorte de calidad. De los 19 millones de lecturas emparejadas por biblioteca restante, el 83,5% se asignó al genoma de referencia del C. quinoa y el 82,1% de ellas se asignaron a una característica anotada en el genoma de referencia de las variedades en estudio.

De los ~ 44 mil genes que se encuentran en el genoma de C. quinoa (Zou et al., 2017), se mantuvieron aproximadamente 24 mil después del filtrado de genes de bajo conteo.

El número de genes expresados diferencialmente se resume en la Tabla 4. Las comparaciones de los cambios comunes en PRE-CPOS y PRE-DPOS se muestran en la Tabla 5.

En cq01 se encontraron 554 genes expresados diferencialmente (DEG) (351 regulados al alza y 203 de baja regulación) en la comparación PRE - CPOS, mientras que solo se encontró un gen (regulado al alza) en la comparación PRE - DPOS.

Tabla 4 Número de genes expresados diferencialmente 

Tabla 5 Comparación de los genes en los cambios comunes en PRE-CPOS y PRE-DPOS 

B: Baja expresión

A: Alta expresión

En la comparación CPOS - DPOS, se encontraron 82 DEG (33 regulados al alza en DPOS y 49 regulados a la baja). La comparación de los DEG de PRE-CPOS y PRE-DPOS mostró que en ambas situaciones los genes afectados son completamente diferentes y todos los cambios que ocurren naturalmente bajo riego regular después de la floración se neutralizan cuando se exponen a la sequía.

En cq05 se encontró un total de 2 174 DEGs entre CPOS y PRE (1367 regulados al alza y 807 de baja regulación) mientras que 1298 DEGs se encontraron entre DPOS y PRE (1014 regulados al alza y 284 de baja regulación). No se encontraron diferencias entre DPOS y CPOS. Similar a cq01, la comparación entre los DEG en los grupos PRE-CPOS y PRE-DPOS mostró que el 57% de los DEG en PRE-CPOS no se expresan diferencialmente en PRE-DPOS, lo que sugiere que la mayoría de los cambios naturales que se producen en la hoja después de la floración se neutralizan por exposición a la sequía. El 43% restante mantuvo un patrón de expresión similar, a excepción del gen AUR62002318 que se reguló rápidamente bajo condiciones de riego regular y se redujo bajo sequía. Este gen es un análogo de gen resistente a la enfermedad que contiene un dominio de unión a ADN B3, 2 regiones ricas en leucina y un dominio NB-ARC. Este dominio regula la muerte celular programada y es capaz de enlazar nucleótidos de adenosina o guanina (Giménez et al., 2006). Finalmente, el 73% de los DEG bajo tratamiento de sequía también se encontraron en condiciones de riego normales. Los resultados obtenidos indican que 355 genes son parte de la respuesta real a la sequía en cq05, mientras que los 943 genes restantes también son parte del desarrollo natural de la planta. Este resultado está en contraste con cq01, donde ninguno de los cambios que ocurrieron naturalmente se mantuvo en la respuesta a la sequía.

En cq37 se encontró un total de 76 DEG (nueve de baja regulación y 67 regulados al alza) en el análisis PRE-CPOS; mientras que, se encontraron 29 genes regulados al alza en el análisis PRE-DPOS. No se encontraron DEG entre los grupos DPOS y CPOS, similar resultado se obtuvo en cq05. Lo que sugiere que ambos grupos tienen patrones de expresión similar. En cq05, la gran mayoría de los cambios de expresión (68%) bajo riego normal se neutralizaron cuando se expusieron a la sequía. En cq37, 24 de los 29 (83%) genes regulados al alza en la comparación PRE-DPOS también se encontraron regulados al alza bajo riego regular. Estos resultados sugieren que la mayoría de los cambios causados por la floración bajo riego regular no ocurren cuando se exponen a la sequía. Además, solo cinco genes (AUR62037809, AUR62000271, AUR62037807, AUR62042825 y AUR62009791) tuvieron un cambio en su patrón de expresión como consecuencia de la exposición a la sequía. Tres de los cinco genes eran tiolasas con actividad de transferencia de acilo prevista, mientras que los dos restantes eran una proteína de unión a fosfatidiletanolamina y una oxidorreductasa dependiente de NADP.

En todas las variedades analizadas se observó un patrón similar, donde los cambios transcripcionales normales que siguen a la floración bajo riego regular se ven interrumpidos casi por completo por la exposición a la sequía. En cq01 este cambio fue completo y ninguno de los cambios de expresión que ocurrieron naturalmente se encontró bajo privación de agua. Mientras que, en cq05 y cq37, entre el 32% y el 43% de los cambios naturales no se vieron afectados por el estrés hídrico. Además, en las variedades tolerantes, entre el 73% a 83% de los cambios observados en los grupos expuestos a la sequía también se observaron en los grupos de control, lo que sugiere que estos genes no respondieron a la sequía.

Las variedades estudiadas presentan perfil similar de evolución de ICC para el control y tratamiento, se esperaba que sus patrones de expresión también reflejen este comportamiento. Sin embargo, mientras cq01 (susceptible) bajo estrés por sequía tuvo pocos cambios transcripcionales en comparación con el control (estado vegetativo), cq05 como cq37 (tolerante) permitieron que una fracción (~ 37%) de los cambios transcripcionales permaneciera en su lugar y la mayor parte de su respuesta a la sequía (~ 78%) fue idéntica al control. Este patrón de expresión convergente como respuesta al estrés por sequía es una característica común de C. quinoa tolerante a la sequía (Claeys e Inze, 2013). El hecho de que la mayoría de los genes que no responden a la sequía en plantas tolerantes también se expresaron en la planta susceptible, sugiere que estos genes están controlados por un factor de expresión diferente en ambos grupos. Es posible que las regiones promotoras de estos genes hayan mutado y, por lo tanto, no responden a los mismos estímulos que en las plantas susceptibles. También, es posible que el factor de transcripción que controla estos genes se haya desactivado y, por lo tanto, no pueda producir estos cambios.

Finalmente, son 26 genes los que se comportaron de manera similar en las variedades tolerantes a la sequía (cq05 y cq37), 17 de los cuales se encontraron regulados positivamente después de la floración bajo riego regular y estrés por sequía; tres fueron regulados negativamente en las plantas de control, pero no en los expuestos a la sequía y seis en las plantas de control, pero no en los expuestos a la sequía. No se encontraron genes en común entre aquellos que cambiaron el patrón como consecuencia de la exposición a la sequía sola. Solo tres de los 26 genes se encontraron regulados al alza en las plantas de control de cq01. Sin embargo, los 26 genes se encuentran con niveles significativos de expresión en las tres variedades (logCPM promedio = 5,03).

Conclusiones

De las 41 variedades utilizadas en el presente estudio se concluye que, 18 variedades son tolerantes a la sequía (Ilpa INIA, INIA 415- Pasankalla, Salcedo INIA, INIA 420 -Negra Collana, Compuesto B, Compuesto tolerante a sequía, INIA 433 - Santa Ana /AIQ/FAO, Salcedo INIA, Ilpa INIA, INIA 415-Pasankalla, INIA 420-Negra Collana, Blanca de Junín, Hualhuas, Huancayo, Kankolla 1, Kankolla 2, Kankolla 3 y Real Boliviana amarillo) y 23 variedades son susceptibles a la sequía (Red head, INIA 431-Altiplano, Blanca de Junín, Huancayo, INIA 433 - Santa Ana /AIQ/FAO, Hualhuas, Compuesto A, Chucuito, Compuesto Tolerante a Sequía Rojo, Compuesto Tolerante a Sequía Amarillo, Compuesto Tolerante a Sequía Rosado, Compuesto Tolerante a Sequía Anaranjado, Compuesto Tolerante a Sequía Blanco grano grande, Compuesto Tolerante a Sequía Blanco grano pequeño, Misiquina, Compuesto tolerante purpura, Compuesto tolerante, Quillahuaman, Amarillo marangani, Amarillo Sacaca, INIA431 Altiplano, Kankolla 4 y Real Boliviano rojo). Siendo la variedad Red head la más susceptible a la sequía; mientras que, las variedades más tolerantes son Salcedo INIA y Kankolla 2.

Las tres variedades de quinua (Red head, Salcedo INIA y Kankolla 2) presentan 26 genes que se comportaron de manera similar en las variedades tolerantes a la sequía; tres de ellos ante la exposición a la sequía son regulados al alza y cinco genes (AUR62037809, AUR62000271, AUR62037807, AUR62042825 y AUR62009791) tienen un cambio en su patrón de expresión como consecuencia de la exposición a la sequía. Este estudio ha generado información que podrá ser utilizada en futuras investigaciones sobre genes de resistencia a sequía en la quinua. Sin embargo, se necesitan datos de secuenciación adicionales para explorar mutaciones no codificantes alrededor de estos genes, así como datos adicionales de plantas más tolerantes y susceptibles para determinar qué tan extendido es realmente este patrón de expresión convergente. Pocos genes son comunes en la respuesta tolerante a la sequía.

Agradecimientos

Esta investigación fue apoyada por el Programa Nacional de Innovación Agraria (PNIA), proyecto 117_PI "Desarrollo de marcadores genéticos asociados a la maduración temprana y tolerancia a sequía en Quinua: Herramientas para la selección de variedades modernas adaptadas al Cambio Climático". A los ingenieros Julio Olivera Soto, Juan Loayza Valdivia, Carol Alejos Asencio, al técnico Samuel Martínez y a la Señora Delia Quispe por los aportes y comentarios recibidos para la mejora de la investigación.

Referencias bibliográficas

Ahumada, A.; Ortega, A.; Chito, D.; Benítez, R. 2016. Saponinas de quinua (Chenopodium quinoa Willd.): Un subproducto con alto potencial biológico. Revista Colombiana de Ciencias Químico-Farmacéuticas 45(3): 438-469. [ Links ]

Al-Naggar, A.M.; El-Salam, R.M.; El-Sayed, A.E.; Abul-Fetouh, M.M. 2017. Effects of genotype and drought stress on some agronomic and yield traits of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.). Bioscience Research 2017 14(4): 1080-1090. [ Links ]

Aly, A.; Al-Barakah, F.; El-Mahrouky, M. 2018. Salinity Stress Promote Drought Tolerance of Chenopodium Quinoa Willd. Communications in Soil Science and Plant Analysis 49(11): 1331-1343. [ Links ]

Apaza, V.; Cáceres, G.; Estrada, R.; Pinedo, R. 2013. Catálogo de variedades comerciales de quinua en el Perú. Disponible en: http://www.fao.org/3/a-as890s.pdfLinks ]

Avalos, H. 2018. El uso de la tecnología y su relación con la cadena productiva de la quinua en los agricultores de la localidad de Cabana de la región de Puno, 2016. Veritas et Scientia 7(1): 781-787. [ Links ]

Bazile, D.; Baudron, F. 2014. Dinámica de la expansión mundial de la quinua que crece en vista de su alta biodiversidad. In: Estado del arte de la quinua en el mundo en 2013. Bazile, Didier (ed.), Bertero, Hector Daniel (ed.), Nieto, Carlos (ed.) . Santiago du Chili: FAO-CIRAD, pp. 49-64. [ Links ]

Bazile, D.; Jacobsen, S.E.; Verniau, A. 2016a. The Global Expansion of Quinoa: Trends and Limits. Front Plant Sci. 7: 622. [ Links ]

Bazile, D.; Pulvento, C.; Verniau, A.; Al-Nusairi, M.S.; Ba, D.; Breidy, J.; Hassan, L.; Mohammed, M.I.; Mambetov, O.; Otambekova, M.; Sepahvand, N.A.; Shams, A.; Souici, D.; Miri, K.; Padulosi, S. 2016b. Worldwide evaluation of quinoa: preliminary results from post international year of quinoa FAO project in nine countries. Frontier Plants Science 7: 1-18. [ Links ]

Bojanic, A. 2011. La quinua: Cultivo milenario para contribuir a la seguridad alimentaria mundial. Oficina Regional de la FAO para América Latina y el Caribe (FAO/RLC). [ Links ]

Bolger, A.M.; Lohse, M.; Usadel, B. 2014. Trimmomatic: A flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics 30(15): 2114-2120. [ Links ]

Dobin, A.; Davis, C.A.; Schlesinger, F.; Drenkow, J.; Zaleski, C.; Jha, S., Gingeras, T.R. 2013. STAR: Ultrafast universal RNA-seq aligner. Bioinformatics 29(1): 15-21. [ Links ]

Claeys, H.; Inze, D. 2013. The Agony of Choice: How Plants Balance Growth and Survival under Water Limiting Conditions. Plant Physiology 162(4): 1768-1779. [ Links ]

FAO. 2018. El estado de la seguridad alimentaria y la nutrición en el mundo 2018. Food & Agriculture Org. Disponible en: http://www.fao.org/3/I9553ES/i9553es.pdfLinks ]

Gilchrist, E.J.; Haughn, G.W.; Ying, C.C.; Otto, S.P.; Zhuang, J.; Cheung, D.; Cronk, Q.C.B. 2006. Use of Ecotilling as an efficient SNP discovery tool to survey genetic variation in wild populations of Populus trichocarpa. Molecular Ecology 15(5): 1367-1378. [ Links ]

Giménez, C.; Palacios, G.; Colmenares, M. 2006. Musa methylated DNA sequences associated with tolerance to Mycosphaerella fijiensis toxins. Plant Mol. Biol. Rep. 24: 33-43. [ Links ]

Graf, BL.; Rojo, LE.; Delatorre-Herrera, J.; Poulev, A.; Calfio, C.; Raskin, I. 2016. Phytoecdysteroids and flavonoid glycosides among Chilean and commercial sources of Chenopodium quinoa: variation and correlation to physico-chemical characteristics. J Sci Food Agric. 96(2): 633-643. [ Links ]

Gu, Z.; Eils, R.; Schlesner, M. 2016. Complex heatmaps reveal patterns and correlations in multidimensional genomic data. Bioinformatics 32(18): 2847-2849. [ Links ]

INIA. 2013. Quinua Salcedo INIA. Disponible en: http://www.inia.gob.pe/wp-content/uploads/investigacion/programa/sistProductivo/variedad/quinua/Quinua-Salcedo.pdfLinks ]

InterPro. 2019. Protein sequence analysis & classification InterPro EMBL-EBI. (s.f.). Disponible en: https://www.ebi.ac.uk/interpro/Links ]

Iqbal, M.A. 2015. An Assessment of Quinoa (Chenopodium quinoa Willd) Potential as a Grain Crop on Marginal Lands in Pakistan. American-Eurasian J. Agric. & Environ. Sci. 15(1): 16-23. [ Links ]

Iqbal, H.; Yaning, C.; Waqas, M.; Turab, S. 2018. Differential response of quinoa genotypes to drought and foliage-applied H2O2 in relation to oxidative damage, osmotic adjustment and antioxidant capacity. Ecotoxicology and Environmental Safety 164: 344-354. [ Links ]

Issa, O.; Fghire, R.; Anaya, F.; Benlhabib, O.; Wahbi, S. 2019. Physiological and Morphological Responses of two Quinoa Cultivars (Chenopodium quinoa Willd.) to Drought Stress. Gesunde Pflanzen 71: 123-133. [ Links ]

Jacobsen, S-E.; Liu, F.; Jensen, CR. 2009. Does rootsourced ABA play a role for regulation of stomata under drought in quinoa (Chenopodium quinoa Willd.). Scientia Horticulturae 122(2): 281-287. [ Links ]

Jarvis, D.E.; Ho, Y.S.; Lightfoot, D.J.; Schmöckel, S.M.; Li, B.; Borm, T.J.A.; Tester, M. 2017. The genome of Chenopodium quinoa. Nature 542(7641): 307-312. [ Links ]

Kolano, B.; McCann, J.; Orzechowska, M.; Siwinska, D.; Temsch, E.; Weiss-Schneeweiss, H. 2016. Molecular and cytogenetic evidence for an allotetraploid origin of Chenopodium quinoa and C. berlandieri (Amaranthaceae). Molecular Phylogenetics and Evolution 100: 109-123. [ Links ]

Liao, Y.; Smyth, G.K.; Shi, W. 2013. The Subread aligner: Fast, accurate and scalable read mapping by seed-and-vote. Nucleic Acids Research 41(10): 2-17. [ Links ]

McCarthy, D.J.; Chen, Y.; Smyth, G.K. 2012. Differential expression analysis of multifactor RNA-Seq experiments with respect to biological variation. Nucleic Acids Research 40(10): 4288-4297. [ Links ]

Morales, A.; Zurita, A.; Silva, H. 2011. Quinoa as a Drought Tolerance Genes Source. Plant and Animal Genome XIX Conference, San Diego, USA. 15-19. [ Links ]

Mulo, P.; Sicora, C.; Aro, E.M. 2009. Cyanobacterial psbA gene family: optimization of oxygenic photosynthesis. Cellular and Molecular Life Sciences 66(23): 3697-3710. [ Links ]

Nuñez, N. 2015. La quinua (Chenopodiumquinoa Willd.) Alternativa de seguridad alimentaria para zonas desérticas. Revista Ciencia & Desarrollo 19: 19-24. [ Links ]

Ramírez, C.; Romero, G.; Gómez, J. 2016. Respuesta morfoagronómica y calidad en proteína de tres variedades de quinua (Chenopodium quinoa Willd.) en la sabana norte de Bogotá. Revista U.D.C.A Actualidad & Divulgación Científica 19(2): 325-332. [ Links ]

Robinson, M.D.; McCarthy, D.J.; Smyth, G.K. 2010. edgeR: A Bioconductor package for differential expression analysis of digital gene expression data. Bioinformatics 26(1): 139-140. [ Links ]

Ruiz, KB.; Biondi, S.; Martínez, EA.; Orsini, F.; Antognoni, F.; Jacobsen, S.E. 2016. Quinoa - a Model Crop for Understanding Salt-tolerance Mechanisms in Halophytes. Plant Biosystems 150: 357-371. [ Links ]

Vidueiros, M.; Curti, R.N.; Dyner, L.M.; Binaghi, M.J., Peterson, J.; Bertero, H.D.; Pallaro, A.N. 2015. Diversity and interrelationships in nutritional traits in cultivated quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) from Northwest Argentina. Journal of Cereal Science 62: 87-93. [ Links ]

Ward, S.M. 2000. Response to selection for reduced grain saponin content in quinoa (Chenopodium quinoa Willd.). Field Crops Research 68(2): 157-163. [ Links ]

Wingett, S.W.; Andrews, S. 2018. FastQ Screen: A tool for multi-genome mapping and quality control. F1000Research 7: 1338. [ Links ]

Zou, C.; Zou, C.; Chen, A.; Xiao, L.; Muller, H.; Ache, P.; Haberer, G.; Zhang, M.; Jia, W.; Deng, P.; Huang, R.; Lang, D.; Li, F.; Zhan, D.; Wu, X.; Zhang, H.; Bohm, J.; Liu, R.; Shabala, S.; Hedrich, R.; Zhu, J.; Zhang, H. 2017. A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and the exceptional nutritional value. Cell Research 27: 1327. [ Links ]

Zurita-Silva, A.; Fuentes, F.; Zamora, P.; Jacobsen, S.-E.; Schwember, A.R. 2014. Breeding quinoa (Chenopodium quinoa Willd.): potential and perspectives. Molecular Breeding 34(1): 13-30. [ Links ]

Recibido: 02 de Septiembre de 2019; Aprobado: 16 de Febrero de 2020

* Corresponding author E-mail: mfserna@gmail.com (F. Serna).

Creative Commons License Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative Commons