Evaluación de estrategias contrastantes para el aumento de la concentración de proteína en semillas de soja: impactos a nivel ecofisiológico y bioquímico

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 tres3genotipos con la estrategia AP-Semilla grande, tres AP-Semilla pequeña. 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.