Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas   volumen 12   número 3   01 de abril - 15 de mayo, 2021

DOI: https://doi.org/10.29312/remexca.v12i3.2702

Artículo

Patogenicidad de cepas de Ustilago maydis para la producción

en condiciones controladas

Dulce Janeth Aguayo-González1

Fidel Guevara-Lara2

José de Jesús Luna-Ruiz1

Laura Eugenia Pérez-Cabrera1

Carlos Alberto García-Munguía3

Alberto Margarito García-Munguía1§

1Centro de Ciencias Agropecuarias, 2Centro de Ciencias Básicas-Universidad Autónoma de Aguascalientes. Av. Universidad 940, Aguascalientes, México. CP. 20131. Tel. 449 9107400. (dulceamarant@hotmail.es; fguevar@correo.uaa.mx; joselunaruiz11@yahoo.com.mx; leperez@corre.uaa.mx). 3Universidad de Guanajuato. Carreteras Irapuato-Silao km 9, Col. Centro, Irapuato, Guanajuato. CP. 36500. Tel. 462 4825374. (cagamu@hotmail.com).

§Autor para correspondencia: almagamu@hotmail.com.

Resumen

La amplia variabilidad patogénica en cepas de Ustilago maydis permite la evaluación en semillas de maíz hibridas y criollas para la producción de huitlacoche. Por lo anterior, el objetivo en este estudio fue evaluar la capacidad patogénica de cepas de U. maydis del estado de Aguascalientes, México durante el periodo 2014-2016 en maíces híbridos y criollos para la producción de huitlacoche en condiciones controladas con el método de inoculación artificial. Evaluando cuatro cepas de Aguascalientes y dos cepas testigo originarias del Estado de México, en tres híbridos y tres criollos, con un diseño experimental completamente al azar con tres repeticiones en arreglo factorial 6x4. Obteniendo así diferencias significativas entre variedades comerciales y las tres cruzas evaluadas, donde la cruza 2 presentó la mayor patogenicidad con 59.6% (criollos) y 76.9% (híbridos) para índice de severidad, en la incidencia con 82.2% (criollos) y 93.3% (híbridos), para gramos por mazorca infectada con 73.9 g (criollos) y 134 g (híbridos) y para el rendimiento por hectárea fue de 4.1 t ha-1 (criollos) y 7.7 t ha-1 (híbridos). El híbrido A7573 presentó la mayor susceptibilidad para las tres cruzas evaluadas. Concluyendo así que las cepas del estado Aguascalientes presentan patogenicidad, siendo una buena opción para la producción de huitlacoche en condiciones controladas.

Palabras claves: criollas, híbridos, invernadero.

Recibido: febrero de 2021

Aceptado: abril de 2021

Introducción

El hongo Ustilago maydis [(D.C.) Corda] es un hongo basidiomiceto conocido en el mundo por causar la enfermedad llamada carbón común del maíz (Zea mays), esta infección propicia la formación de grandes tumores o agallas que al desarrollarse en la mazorca se le conoce como ‘huitlacoche’ o ‘cuitlacoche’ y son utilizadas en la preparación de diferentes platillos (Ruíz y Martínez, 1998; Bölker, 2001; Pataky y Chandler, 2003).

En México, el huitlacoche se ha utilizado desde la época prehispánica como alimento exquisito; no obstante, la apariencia poco atractiva de la enfermedad en el maíz ha atraído la atención de comensales nacionales e internacionales, dándole un valor agregado (Bernal y Ramírez, 2011). Además de destacar que en este hongo predomina la glucosa y fructuosa, también contiene carbohidratos, proteínas, grasas, minerales y vitaminas como riboflavina, niacina, biotina, y ácido fólico que constituyen a su valor nutricional (Kealey y Kosikowski, 1981; Lizárraga, 1995).

El huitlacoche aparece en casi todas las regiones productoras de maíz, aunque las condiciones climáticas favorables para su desarrollo son muy variadas, algunos autores afirman que el ataque de este patógeno puede ser más severo en ambientes húmedos (humedad relativa de 72-80%) y templados (temperatura de 17-20 °C) (Villanueva et al., 1999; Martínez et al., 2005), otros autores indican que el ataque es más frecuente en áreas cálidas (temperatura de 26-34 °C) y moderadamente secas (Agrios, 2005).

La infección forma un filamento dicarión como resultado de las interacciones de apareamiento. Este proceso es controlado por el locus a y b. El locus a regula la formación de filamentos de apareamiento o tubos de conjugación, la transcripción de proteínas codificada por el locus b entra en juego después de la fusión para mantener el crecimiento filamentoso del dicarión infeccioso y para promover el desarrollo de patógenos en la planta.

Uno de los aspectos de apareamiento en U. maydis es que hay múltiples especificidades en el locus b con estimaciones que van desde 25 hasta 33 diferentes tipos (Banuett, 1992; Banuett, 1995; Kronstad, 2003). U. maydis presenta una variabilidad genética en la virulencia del hongo, este tiene gran cantidad de líneas o biotipos con diferentes características fisiológicas y patogénicas. La característica principal de este hongo es ser heterotálico lo que provoca que surjan nuevos biotipos por hibridación en cada nueva generación sexual, por esto, de una sola agalla es posible aislar una gama de líneas haploides que difieren en su patogenicidad.

También se ha demostrado que el índice de crecimiento, color, producción esporidial de colonias y otros caracteres en los medios de cultivo pueden ser modificados por fluctuaciones ambientales como temperatura, nutrimentos, vitaminas, sustancias de crecimiento y agentes químicos (Martínez et al., 2000; Martínez et al., 2005).

Programas de reproducción actuales se basan en la infección natural de carbón en parcelas de campo y la eliminación de las líneas de mejoramiento más susceptibles a fin de mantener la resistencia a tizón; sin embargo, numerosos informes están disponibles en la influencia de las diversas técnicas de inoculación, la etapa de desarrollo del huésped y las condiciones ambientales para la patogénesis (Kealey y Kosikowski, 1981; Pataky, 1991).

En la producción artificial de huitlacoche existe la técnica de inoculación artificial sobre híbridos comerciales de maíz dulce y variedades de polinización abierta (Martínez et al., 2000) esta técnica se ha desarrollado desde el siglo XVIII (Walter, 1935). En diferentes partes de México se han evaluado la patogenicidad de algunas cepas de U. maydis y la susceptibilidad y resistencia en variedades de maíz, sin embargo, para el estado de Aguascalientes no existe información sobre la patogenicidad de las cepas silvestres, así como la susceptibilidad y resistencia en variedades de maíz adaptadas en el estado.

Por lo anterior, el objetivo de esta investigación fue evaluar diferentes cepas de Ustilago maydis del estado de Aguascalientes para infectar plantas de maíz bajo condiciones controladas con el método de inoculación artificial.

Materiales y métodos

Localización del sitio experimental

Invernadero de 80 m2, ubicado en el Centro de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Autónoma de Aguascalientes; Jesús María, Aguascalientes (21.9668018, -102.3676961, 1 880 msnm). Durante el periodo de infección las condiciones controladas dentro del invernadero, fue una temperatura entre 26-32 °C y humedad relativa alrededor de 70%.

Material vegetal

Tres cepas de Ustilago maydis de maíz criollo y tres cepas de maíz de variedades comerciales (AS822 [Aspros], A7573 [Asgrow] y H-383 [INIFAP]).

Cruza de las cepas

Laboratorio de Biotecnología y Funcionalidad de Alimentos del Centro de Ciencias Básicas de la Universidad Autónoma de Aguascalientes. Se aislaron y cruzaron 27 cepas colectadas en diferentes municipios del estado de Aguascalientes, a través del procedimiento de Guevara (1999) durante el periodo 2014-2016. Posteriormente se eligieron 4 pares de cepas del estado de Aguascalientes que presentaron mayor compatibilidad y 2 pares de cepas del Estado de México (Cuadro 1) para la inoculación en plantas de maíz. El inoculo se estableció a una concentración de 10x106 esporidios para cada uno de los pares de cepas.

Cuadro 1. Cepas para evaluar en invernadero con el método de inoculación artificial.

*= cruza de cepas comprobadas para infección en plantas de maíz.

Diseño experimental

Se colocaron 360 bolsas negras con aproximadamente 15 kg de suelo cada una en cinco surcos dobles con 36 macetas cada uno, el diseño experimental fue completamente al azar con tres repeticiones en arreglo factorial 6x4. El factor A fueron las variedades de maíz: Criollo 1 (C1), Criollo 2 (C2), Criollo 3 (C3), AS-822, Aspros (AS), A-7573, Asgrow (AW) y H-383, INIFAP (IP) (Cuadro 2). El factor B fueron: cruza 1, cruza 2, cruza 3 y Sin inocular (Cuadro 2).

Cuadro 2. Variedades de maíz utilizadas en invernadero.

*= lugar de colecta de la semilla; **= datos obtenidos en campo y entrevista con el productor, todos son datos aproximados.

Germinación e inoculación

Las semillas se colocaron en agua corriente durante 24 h antes de su siembra para promover la germinación anticipada. Se programaron cuatro riegos por goteo de 15 min cada uno en la etapa de germinación durante 15 días, se suspendió el riego durante 15 días y se reinició en la etapa vegetativa con la misma programación, una vez que se inocularon los jilotes se aumentó a seis riegos de 15 min cada uno.

La inoculación se realizó con una jeringa hipodérmica, se inyectando 2 ml de inoculo correspondiente al tratamiento, se inoculó por el canal de los estilos cuando estos presentaron una longitud de 1 a 5 cm y antes de que ocurriera la polinización. Posterior a la inoculación, el manejo de las plantas de maíz fue de 4 riegos al día de 15 min cada uno. Además de considerar durante el periodo de infección, la aplicación de agua por aspersión (1 min al día) sobre el follaje, con la finalidad de aumentar la humedad relativa y propiciar el crecimiento del hongo.

Variables evaluadas

22 días después de la inoculación se realizaron las siguientes evaluaciones: índice de severidad (IS): proporción de los elotes cubiertos por agallas formadas por el hongo. Se tomaron en cuenta cinco grados de severidad: IS1 (0%), IS2 (25%), IS3 (50%), IS4 (75%) y IS5 (100%) (Madrigal et al., 2010).

Porcentaje de incidencia (PI)

Número de jilotes infectados con algún grado de severidad dividido entre el número de jilotes inoculados multiplicado por 100 (Madrigal et al., 2010).

Gramos por mazorca infectada (GMI)

Peso total en gramos del huitlacoche desgranado de todos los elotes infectados dividido entre el número de elotes infectados por el hongo (Madrigal et al., 2010).

Rendimiento por hectárea en toneladas (RHt)

Se obtuvo al multiplicar la densidad de población de maíz por los GMI (Madrigal et al., 2010).

Análisis estadístico

Todos los resultados se analizaron utilizando el software InfoStat versión 2017 para Windows y se expresaron como media ± desviación estándar (n= 3). Se utilizó el análisis unidireccional de la varianza (Anova), aplicando análisis de Tukey (p< 0.05) para medias con diferencias significativas. En el mismo software con los valores medios se realizó un análisis de componentes principales (PCA), para observar diferencias y similitudes de las muestras analizadas.

Resultados y discusión

En el índice de severidad (IS), se puede observar que existen diferencias significativas entre los tratamientos, donde los tratamientos de las variedades Criollo 1 (94.7 ±1.3), AS (90.7 ±9.3) y Asgrow (89.3 ±10.7) con la cruza 2 fueron las que presentaron los valores más altos de índice de severidad, mientras que los tratamientos de la variedad Criollo 2 con la cruza 2 (42.7 ±17.6) y con la cruza 1 (48 ±4.6) fueron los que presentaron los valores más bajos de IS. En la Figura 1, se pueden observar las agallas de huitlacoche formadas en mazorca mediante la producción artificial de los diferentes tratamientos evaluados.

Figura 1. Agallas de huitlacoche en mazorca mediante la producción artificial de los diferentes tratamientos evaluados en el periodo 2014-2016.

En el porcentaje de incidencia (PI), se observa que existen diferencias significativas entre los tratamientos, donde la variedad C3 con la cruza 2 y la variedad C1 con la cruza presentaron un mayor PI (100%), mientras que la variedad C2 con la cruza 2 obtuvo un menor IP (60 ±23.1) (Cuadro 3).

Cuadro 3. Variedad-cruza evaluados para la producción de huitlacoche.

Medias con la(s) misma(s) letras(s) son estadísticamente iguales, según la prueba de Tukey (p< 0.05); diferencia mínima significativa honesta. Tto= tratamiento; IS= índice de severidad en porcentaje; PI= porcentaje de incidencia; GMI= gramos por mazorca infectada; RHt= rendimiento por hectárea en toneladas; SN= sin inocular (control).

En los resultados de las variables gramos por mazorca infectada (GMI) y en rendimiento por hectárea en toneladas (RHt) el comportamiento de las muestras fue el mismo, en ambas variables se observan diferencias significativas entre los tratamientos, donde el tratamiento de la variedad AW con la cruza 3 presento un mayor rendimiento por mazorca (230.9 ±39.4) y por hectárea (13.2 ±3), mientras que el tratamiento de la variedad C1 con la cruza 1 presentó los rendimientos más bajos por mazorca (32.9 ±11.6) y por hectárea (1.6 ±0.8) (Cuadro 3).

Los rendimientos obtenidos con el híbrido Asgro2 inoculado con la cruza 3 (13.2 t ha-1) se aproximan a los rendimientos obtenidos por Martínez et al. (2000), donde reportan que, en ensayos experimentales y comerciales a cielo abierto, alcanzaron hasta una producción máxima de 14 t ha-1. No obstante, la cruza 1 con el híbrido INIFAP (3.7 t ha-1) y variedad Criollo 3 con la cruza 1 (5.1 t ha-1) están cercanos a los reportados por Madrigal et al. (2010) donde obtuvieron que el híbrido 30G40 presentó el mayor rendimiento con 4 786.2 kg ha-1.

Si bien, Martínez et al. (2000) obtuvo un mejor rendimiento del hongo por planta infectada (279.7 g) comparado con los resultados de esta investigación (230.9 g), la diferencia entre ambos resultados puede ser influenciada por las variedades utilizadas en ambas investigaciones. El periodo de incubación del hongo varía de 12 a 25 días, en invernadero se puede presentar un periodo de incubación más rápida (7 a 16 días) y en campo más lenta (17 a 19 días) (Thakur et al., 1989; Pope y McCarter, 1992; Valverde et al., 1993; Carroll, 1994; Pataky et al., 1995).

Esto concuerda con lo obtenido en los resultados para la variable de GMI (Cuadro 3) dado que el periodo de incubación y crecimiento del hongo varió para todos los tratamientos, algunas presentaron menor producción y otras variedades presentaron un óptimo desarrollo del hongo a los 22 días de incubación.

Los resultados obtenidos en las semillas criollas en la variable porcentaje de incidencia (PI) fue 77.8-88.9%, mientras que en la variable índice de severidad en porcentaje (IS) fue entre 56.9- 81.8%, a su vez la variable gramos por mazorca infectada (GMI) arrojó como resultado 59.2- 152.4g y el rendimiento por hectárea en toneladas (RHt) fue de 3-8.1 t ha-1 (Cuadro 3), estos resultados varían respecto a los reportados por Valdez et al. (2009).

Donde obtuvieron en 15 genotipos de maíz criollo variaciones en los porcentajes de infección en mazorcas desde 31 a 92% (promedio 72%), para los porcentajes de cobertura del hongo sobre la mazorca oscilaron entre 46 al 97%, con un valor promedio de 77% y el peso de huitlacoche por mazorca, varió considerablemente en las líneas de maíz (80 hasta 450 g) y rendimientos de aproximadamente 15 t ha-1.

Martínez et al. (2000) evaluaron 100 aislamientos del hongo en un híbrido experimental, seleccionando 12 de ellos por su vigor, presentando en promedio 190 g del hongo por planta infectada, y 135.24 g por planta inoculada (8.11 t ha-1), índice de severidad de 36.82 y una incidencia de 70.64%.

De las 300 familias de medios hermanos maternos evaluadas (1998) por inoculación con la mezcla de los 12 aislamientos seleccionados (1997), se eligieron 16 familias susceptibles, que presentaron en promedio 154.97 g del hongo por planta infectada y 112.88 g por planta inoculada (6.67 t ha-1), 76.67% de incidencia y 34.82 de índice de severidad, así como 14 familias resistentes (0% de incidencia) al ataque del hongo. Los resultados obtenidos en IP, IS, GMI y RHt en las variedades hibridas inoculadas con la cruza 2 superan a los obtenidos por estos autores (Cuadro 3).

Análisis de componentes principales (PCA)

Se realizó un análisis de componentes principales (PCA), tomando en cuenta los resultados obtenidos de todas las variables medidas: índice de severidad (IS), porcentaje de incidencia (PI), rendimiento por mazorca (GMI) y rendimiento por hectárea en toneladas (RHt), para comparar las características principales de los tratamientos de las variedades C1, C2, C3, AS, AW e IP con las cruzas 1, 2 y 3.

Donde, se logró observar que el componente principal uno (CP1) y dos (CP2) explicaron 91.1% y 8.3% de la varianza total, respectivamente. La combinación de estados dos componentes por medio de un Biplot de forma multivariante de ordenación pueden explicar 99.4% de la variabilidad acumulada de las variables (Figura 1) y se consideró que esto era suficientemente alto para una diferenciación confiable entre las características de los tratamientos. El valor de la correlación cofenética (1) indicó que la reducción variable realizada fue adecuada.

En la Figura 2, se puede observar que los tratamientos más afines a cada variable se localizan más cerca de la flecha que representa a dichas variables, de esta manera se puede observar que existe un agrupamiento de los tratamientos, dicho agrupamiento se dio entre las variedades sin inocular (GSN: óvalo naranja) y las que fueron inoculadas (GI: óvalo rojo), de esta manera se puede observar que las variedades sin inocular presentaron los valores más bajos en todas las variables analizadas: IS, PI, GMI y RHt.

Figura 2. Biplot de forma multivariante de ordenación de los tratamientos para la producción de huitlacoche en el periodo 2014-2016. Punto naranja= tratamientos sin inocular; punto rojo= variedades inoculadas con la cruza 1; punto azul= variedades inoculadas con la cruza 2; punto verde= variedades inoculadas con la cruza 3; punto amarillo: variables determinadas. Óvalo naranja= grupo formado por tratamientos sin inocular (GSN); óvalo rojo= grupo formado por los tratamientos inoculados (GI); óvalo amarillo= grupo 1 (G1), óvalo azul= grupo dos (G2); óvalo verde= grupo 3 (G3).

Sin embargo, en el grupo conformado por las variedades que si fueron inoculadas con diferentes cruzas (GI: óvalo rojo), también se puede observar que existe la formación de tres grupos, agrupados principalmente de acuerdo con la cruza utilizada para la inoculación.

El grupo uno (G1: óvalo amarillo) está formado por los tratamientos de la variedad AW inoculada con la cruza 2 y por las variedades C2, C3, AS, AW e IP inoculadas con la cruza 3, donde, este grupo de tratamientos presento un mayor rendimiento por mazorca (GMI) y por hectárea (RHt), caso contrario al grupo tres (G3: óvalo verde) conformado por los tratamientos de las variedades C1, C2 e IP inoculadas con la cruza 1 y las variedades C1 y C2 inoculadas con la cruza 2, que fueron los tratamientos que presentaron los valores más bajos de GMI y RHt, así como de IS y PI.

No obstante, el grupo dos (G2: óvalo azul) conformado por los tratamientos de las variedades C3, AS y AW inoculadas con la cruza 1, las variedades C3, AS e IP inoculadas con la cruza 2 y por la variedad C1 inoculada con la cruza 3, fue el grupo de tratamientos que presento valores intermedios en todas las variables analizadas, ya que presentaron buenos GM1 y RH, pero no mayores a los del G1, mientras que para los valores de IS y PI, tanto el G1 como el G2 presentaron valores similares.

Las cruzas que se utilizaron se conforman solo por dos cepas para cada cruza, donde el G2 presentó el mayor PI (93.3%) y el G1 obtuvo los valores más altos para IS (84.4%), GMI (203.4 g) y RHt (11.4 t ha-1). El porcentaje de infección mayor se obtuvo con la variedad Bida-54 y el inóculo de diez cepas (78.8%), seguida del inóculo con cuatro cepas en la misma variedad de maíz (52.8%). La variedad Bengala, obtuvo un grado de infección de 27% y rendimiento de huitlacoche de 6.3 t ha-1.

Las diferencias significativas que se obtuvieron entre los resultados concuerdan con los autores Christenses (1963); Villanueva et al. (1999); Pataky y Chandler (2003), donde mencionan que existe una variación patogénica del hongo, la infección está en función de la habilidad del patógeno, la susceptibilidad del huésped y su interacción con el ambiente y que para cada variedad de maíz existe una relación de temperaturas y humedad óptimas para el desarrollo de U. maydis.

Las cepas evaluadas del estado de Aguascalientes presentaron valores en IS altos en comparación con algunos autores mencionados lo que concuerda con Calderón (2010), donde reporta que el valor del IS generado por cada cepa de huitlacoche no está totalmente relacionado con la variedad ni el color del maíz, lo que indica que aun cuando las variedades de maíz blanco son las más susceptibles, esto más bien depende de la virulencia de la cepa.

Conclusiones

Las cepas del estado de Aguascalientes (1B, 3B, 13B y 16B) presentaron un índice de severidad en porcentaje alto, presentando una patogenicidad alta y una opción para la producción de huitlacoche en el estado de Aguascalientes. Los híbridos presentaron mayor susceptibilidad con las tres cruzas evaluadas a comparación de las variedades criollas. Es de importancia observar el comportamiento de cada variedad y con esto establecer un periodo de incubación homogéneo en cada variedad para obtener una mayor producción de huitlacoche.

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