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SECCION AGRICOLA ARTICULOS CIENTIFICOS DESARROLLO DE TECNICAS ELECTROFORETICAS DE PROTEiNAS E ISOENZIMAS PARA LA CARACTERIZACION DE GERMOPLASMA DE AJO (Allium sativum L.) Gustavo A. Ugorrelo M. I.A. MSc.; Rodrigo Artunduaga S. I.A. Ph. D .• RESUMEN Debldo a clertas limltaclones que presentan los marcadores morfol6glcos para la Idenllflcacl6n de ma- tenales cercanos genetlcamente (en colecclones de germoplasma), se hace necesano recurnr a meto- dos mas confiables tales como los marcadores bloqwmlcos (Pro!einas e Isoenzlmas) que dlscnmlnan cuilivares comparando los productos de la acllvldad genlca En esta trabajo la electroforesls en gel de polyacnlamlda lue desarrollada para delermlnar eleclroforegramas de proteinas e Isoenztmas esterasas en cuilivares de ajO (AllrumsatlVumL) como marcadores potenClales de genotlpos Extractos de dtle- renles tejldos (hoja, raiz y bulbillos) fueron probados En general, los extractos de butbillos dan patrones de proteinas con mayor numero de bandas, en relacl6n con los de ralz y hOjas, en el caso de Isoenzlmas los mejores patrones se presentaron con extractos de hOlas Los electroforegramas de protelnas e IsoenZlmas permlheron detectar vanacl6n mtervanetal entre los 14 cull1vares estudlados, se encontr6 que hay dos grupos de vanedades que dlfieren en la morfologia de la planta, un grupo representado por los a)os sin tUOIca envolvente de los bulbos y el otro por los genotlpos de bulbo cublerto por tUOIcas, a la vez, conformado por los subgrupos a)os Peruanos pequenos, Chllenos, y ajos de bulbo grande "Glgantes· Palabras claves adicionales: electrof6resls, gel de polYGicnlamtda, proteina lolal, esterasas, a,o ABSTRACT DEVELOPMENT OF ELECTROPHORETIC TECHNIQUES BY ISOZYME AND PROTEINS FOR CHARACTERIZATION OF GARLIC (Allium sativum L.) GERMOPLASM Due to some limitatIons of the morphologic characters In the Identlfrcatlon of the closely related genetical matenals (presentend In germoplasm collection), It has been necessary to appeal to most trusting me- thods such as Ihe Isozyme and proteins patterns wlch can dtscnmlnate cullivars by companng the pro- ducts from the genetic achvlty In this experiment the polyacrylamIde gel electrophoresIs, was developed for determining Isozyme and proteins eleteclrophoregrams (patterns) of garlic (AII/um satIVum L ) culll- vars as potentJal genotype markers Extracts of dlHerent tissues (leaf, root an cloves) were examined SeccI6n Legurnlnosas. ICA C I Tlbaltata A A 151123, Eldorado, Santafe de 80gota 91 REVISTA leA, Vol. 28, Abril- Junio 19H3 In general. the cloves gave proteins patterns with the largest number of bands and Icaf gavo the best Isozyme patterns On the basis of the Isozyme and protein patterns waS possible to detect Intervarietal vanation among tho 14 cullivars used In thiS study It was found In the collection two varietal groups. with different plant's morphology. one of them IS represent end by the garlics without shoated tunics and the olherone represented by the garlics with their cloves covered by tumcs At the same time the lalest group was conformed by the lollowlng sub-groups Small peruanos. chllenos and garlics with big cloves called "Gig ants' Additional key words: electrophoresis, polyacrylamide gel, total proteins, esterases, garlic La producclon mundlal de 8)0 es de 2 8 millones de tone ladas, en un total de 460.000 ha cultlvadas La exportaclon de esta especle esta h- derada principalmente por Espana, Italla y Argentina. Los palses latrnoamencanos producen volumenes apreciables, destina- dos al consumo interno 0 a su comerciali- zaclon en los mercados internacionates. Segun FAD (1991), se cultlvan 32.000 ha en America del Sur y America Central, con rendlmiento promedio de 5.9 tlha. Et ajo (AllIUm sativumL.) es una espe- cie horticola de importancla en Colombia por el uso en la dleta allmentlcia, la alta de- manda de mano de obra y por el volumen y el valor de la producclon generada de la slembra de cerca de 1200 ha, con rendl- miento promedlo de 6.0 tJha, ICA (1991). Alliumes un genera muy d,verso de la famIlia de las Alhaceas (antes Lihaceas). Entre los AlllUmdomestlcados y mas popu- lares estan la cebolla (A. cepa L ), el puerra (A porrum L ) Y el a)o (A. sa/lVum L.), ongl· nanos del Cercano Oriente a del Asia Cen- tral y Onental, Astley et. al (1982). Se descanocen farmas silvestres de alo, y su paslble ancestro es A. long/cusp/s. En la domestlcaclon el aja sigUlo un camino distln- to al de la cebolla y el puerro, que poseen grandes cantldades de semllla sexual para su prapagaclon; aquel, es exclusivamente de propagaclon por bulbillos 0 "dientes". EI alo presenta variablhdad genetica que se encuentra en los matenales cultiva- dos en el mundo, dlferencladas en madu- 92 rez, requerimlentos de frIO, tamano de bul- ba, tamano y numero de bulbiilas, etc. No se sabe cuanta varrabihdad fue selecclana- da cuanda A satlVum 0 su ancestro se multI ph caban sexual mente, a cuanto ha surgldo por mutaclanes en las yemas des- pues de que se convlrtlera en una planta agamlca, vivlpara y esteril, FAD (1991). La eXlstencla de un banco de germo- plasma y la dlstribuclon regional 0 interna- Clonal de matenal sin prevIa evaluaci6n 0 caractenzacion, puede conducir a mante- ner y dlstnbuir duplicaclones a costos ele- vados Igualmente es necesaria la perma- nente y constante comprobaci6n de que no ha eXlstldo una erosIon genetica en el ma- tenal conservado, tanto debldo a propaga- cion In VItro, como a multipilcaclones en areas ecologlcas dlferentes a su origen, Huaman (1986). La caracterizacion morfologica por va- rios ciclos de cultivo para eliminar el efecto ambiental 0 variacion fenotlpica, es un efi- ciente sistema de evaluacion de las colectas de ajo. Sin embargo, estos mEHodos no slempre permiten una clara dlferenclacion entre tipOS comerclales, ecotlpoS, biotlpos y genotlpos, Burba (1988)_ Idealmante, las di- ferenclas entre los genotipos deberlan ba- sarse en la comparaclon directa de genes, pero resulta muy costoso y toma mucho bempo. No obstante, las diferencias de los cultivares se pueden medir en forma indirec- ta comparando los productos de la activldad gemca, es declr, usando las protelnas como marcadores genotiplcos, Hussain e/. al. (1986). ' LIGARRETO M., G.A., ARTUNDUAGA S.R., Germoplasma de ajo De acuerdo can su potencial genetico, las diversas especies vegetales desarro- !Ian sustancias qui micas especificas a un especie 0 variedad, detectables segun un adecuado proceso eletrofonHico. De este modo, la estabilidad de protei- nas y enzimas solubles en agua, ha brinda- do una excelente posibilidad de ser utiliza- das en estudios taxonomicos, Contreras y Mansilla (1989). Las tecnlcas electroforeticas estan ba- sad as en la migraci6n diferencial de molecu- las, que varian en carga y tamafio, a traves de un campo elect rico usado como soporte, generalmente un gel de poliacrilamida, aga- rosa 0 almid6n. Las proteinas codificadas par diferentes genes pueden tener distinta carga 0 tamano molecular y de esta forma tener diferentes movihdades en un campo electrico, Gonzalez y Gomez (1987). La electroforesis ha side adaptada a una variada gama de aphcaciones. En biologia se usa para comparar relaciones evolutivas entre organismos, asumiendo que tipos rela- cionados pueden tener un gran numero de proteinas del mlsmo grupo. En bioquimica se ha utlllzado, para analizar proteinas y aCI- dos nucleicos virales, componentes celula- res y atros sistemas biol6gicos. La utilidad de las isoenzimas como marcadores se encuentra bien documenta- da, y las variantes geneticamente deflnidas de las isoenzlmas han demostrado su im- portancia en la evaluaci6n de la variabih- dad genetica en varias especies como arroz, cebada, maiz, frijol, papa, trigo y so- ya entre otras, Tanksley y Orton (1983). EI objetivo del presente estudio fue de- sarro liar una metodologia electroforetlca de proteinas y esterasasque pueda ser usada para Identificar cultlvares de aJo (AllIUm sativum L.) MATERIAlES Y METODOS Se trabajaron 14 cultlvares de ala, co- lectados en las principales zonas producto- ras en los departamentos de Cundinamar- ca y Nanna durante el pnmer semestre de 1990, los cuales fueron evaluados en el . campo en el CI Tibaltata durante los se- mestres B de 1990 y A de 1991, para for- mara grupos de genotlpos como simi lan- dad morfologica y de rendlmlento (Tabla 1). TABLA 1. Cultivares de ajo estudiados en el desarrollo de la electrof6resis. Grupo 1 Cultivar Caracteristicas AJos Costa Alca (CA) bulbos sin tunlcas, "Pata de perro' Cnollo (C) dlentes pequeniios, 130 dias de cicIo de vida 2 Peruanos AreqUipa (A) bulbos can tunlcas. pequeiios Morado pequeno (MP) suscept pudn ralz, 140 dias cIcio de Vida 3 Chllenos Chilena rOjo (CA) bulbos con tUnicas y Chilena blanco (CB) umformes. 140 dlas de cicIo de Vida 4 AJos Morado claro (ML) "Glganles" Peruano (P) Aonsuno (A) bulbos gran des con Cnollo rosado (Cl) tUnlcas. y de forma Blanco (sabana) (B) ovoidal, 160 d'ias de Ronseiio morado (AM) Cicio de Vida Induslnal (I) Morado cnollo (MC) Vease Ligarreto (1992) 93 REVISTA leA, Vol. 28, Abril- Junio 1993 Los 14 cultJvares se pudieron procesar en un mismo gel tanto para proteinas como para esterasas. En el desarrollo de la le~nica de eleclroforesis se utilizaron 11 soluclones de extracci6n de dlferenle concenlracion y pH (Tabla 2), para selecclonar.la que ongi.~a ra electroforegramas con meJor resoluclon, segregaclon y claridad de las bandas. TABLA 2. Soluclones buffer empleadas en la electroforesls. Sistema Extraccl6n Gel separador Gel concentrador Electrodos Solucl6n Agua desttlada SOSl% SDS5% TriS • Hel 0 5 M, pH 6 B Tns - Hel 0 05 M + 1% ME, pH68 Tns· Hel 0 05 M + 1% ME. pHB3 Tns • Her 0 05 M. pH 6 8 Tns • Hel 005 M. pH B 3 Urea 8M Sacarosa al 20% Elanol al 70% Tns Hell 5 M, pH 8 B Tns Hel 0 5 M pH 68 Tns ghcrna 0 025 M. pH 8 3 Tanto para espectro proteinico como para esterasas, se trabaJo con tejido de raices, hojas y bulbillos a dientes madu- r~s. Las muestras fueron preparadas por maceracion manual de un gramo de teJldo fresco en aproximadamente dos ml de ni- tr0geno IiqUldo, luego se agre90 un ml de buffer de extracclon, se agllo por dos mi- nutos y se adlclono 20 mlcrolltros (Ill) de sulflto de Sodlo (10 g Na2 SO:l7.S g Na 2S20slS0 ml de agua); la mezcla 0 pasta cruda fue centrrfugada a 145000 rpm (20904 g) a 4° C. durante 30 mlnutos. EI sobrenadante fue usado para 1a separa- cion de proteinas e Isoenzimas. EI eqUipo utllizado fue una unrdad vertical de elec- troforesis Protean II de Blo-Rad y una fuenle de poder Blo-Rad modelo 400. 94 Se empleo la metodologia propuesta por Stegemann el. a/. (1985) para determi- nar la concenlracion de proteinas porprue- ba de gotas, 10 mismo que para la prepara- cion del gel de separacion al 10% Y gel de concenlracion aI4%. La muestra aplicada a cada una de las ranuras del gel fue de 7.5 a 30 micro- htros de soluci6n (compuesta por 250 III de extracto de tejido, 62.5 III de soluci6n de sacarosa al 60% y dos III de azul de bromofenol) dependiendo de la concen- tracion de proleinas detectada en la prue- ba de gotas. Para la electroforesis en geles de polya- cnlamida (PAGE) se utilizo e1 sistema dis- continuo de Laemmll, Stegemann el. at. (1985). EI corrimiento se realize dentro de una nevera can recirculaci6n de agua fria; se aplico una corriente de 14 a 44 mA, con vo\taje de 60 v. incrementado gradualmente hasta 380 v., el proceso duro cinco horas. La tincion de proteinas se realizo con azul brillante de coomassie al 0.025% de acuerdo al procedimiento descrito por Stegemann el. a/. (1985). En la tincion de las IsoenZlmas esterasas se uso el procedimiento recomendado por Hussain el. al. (1986). Una vez destenidos los ge- les fueron fotografiados y sec ados. La electrof6resis fue repetida cinco veces para estar seguros de la establlidad y re- petiblhdad del patron. RESULTADOS Y DISCUSION Despues de cinco corrimientos de la electroforesis de proteina por el sistema dlscontinuo (PAGE), usando varios siste- mas de buffer, se determlno que la cali- dad de la separacion de las proteinas de- pende de la soluclon buffer empleada. De acuerdo con los resultados preliminares se encontro que de los 11 buffers proba- dos, Trls Hel 0.05 M + ME al1 %, pH 6.8 presento mayor movilidad y mejor calidad de las bandas en los electroforegramas de teJido de bulbillos. LIGARRETO M" G.A., ARTUNDUAGA S.R., Gcrrnoplasrna de ojo o 1.0 - PRO.TEL -rOT. _ • . 0 e:Q§ - ... :; = == ~ := .~ o . Q · a~ o -05 -10 FIGURA 1. Patrones eletectroforeticos de proteinas totales en geles de poliacrilamida al 10% para determinar tejido y la cantidad de extracto. EI patron de albumina (referencia) aparece en los extremos derecho e izquierdo de los geles y las migraciones interio- res son del cultivar de ajo CriolloRosado (Cl). La Figura 1 muestra los electroforegra- mas de extracclon de protelnas de ralZ, ho- Jas y bulbillos usando el buffer Tns HCI 0.05 M + ME al 1 %, pH 6.B. De los tejidos utlhza- dos, las hojas y bulbillos produJeron patro- nes de protelnas mas intensos y claros, en relaclon a los de tejldo no pigmentado 0 ral- ces. Por la facilidad en la disposicion del ma- terial vegetal se uso bulbillos como muestra de tejldo para posteriores electroforesis. Comportamlento distmto se obtuvo en la de- tecclon de esterasas, donde el extracto de hOjas presento palrones mas c1aros. Los resultados antenores estan de acuerdo can los reportados par el progra- rna de papa del CI Tibaitata utlhzando tu- herculos y hojas de papa en la caracteriza- cion de germoplasma (informacion personal), y con Simmonds (1990) en la Identificacion de vanedades de arroz me- diante esterasas de teJldos folia res Lo cual dlflere con 10 Indicado por Siqueira el. al. (1985), qUlenes enconlraron buena resolu- cion de las bandas al usar teJldo de rakes Y bulbllios de ajo en electrororesls hOrizon- tal en geles de almldon. En la delermmacl6n de la concentra- cIon optIma de proteinas del extracto para obtener buenos electroforegramas, se rea- ho comparaclon cuahlativa de manchas de los extractos y manchas de seroalbuml- na de concentraclon conoclda (como refe- Tencla) sobre papel de cromatografia. La concentraclon de proteinas en extracto de hOjas oscllo entre 40 y 160 I1g, can Incre- mentos sucesrvos de 20 I1g La prueba per- mltlo establecer que 120 )1g de prolerna en la muestra de hOJa es la canlldad adecuada para el desarrollo de las eleclroforesrs de cultlvares de aJo (FIgura 1). De la mlsma forma, se cuantrflco la concentraclon de proternas en los extrac- tos de bulbillos, se vano drcha concentra- cl6n entre 27 y 51 ~lg can Intervalos de 4 )1g Se logr6 establecer que 47 ~lg de pro- terna y una allcuota de aproxlmadamente 10 ul de exlracto son cantldades adecua- 95 REVISTA ICA, Vol. 28, Abril- Junio 1993 das para apreciar bandas claras en los electroforegramas (Figura 1). Una vez estandarizada la melodolo- gia se realiz6 la electroforesis con los ex- tractos de bulbillos de los 14 cultivares es- tudiados; posteriormente se evaluo la mOVIlidad de las bandas en los electrofo- rogramas usando la combinacion del nu- mero y localizacion de las mismas. EI me- todo de electroforesis de proteinas de bulbillos mostro discriminacion de los cul- Ilvares estudiados (Figura 2). En la evaluacion se tome como refe- rencla el patron de albUmin a (clara de hue- vo); se dlstinguen dos patrones bien defini- dos, el de los materiales Costa Rica (CR) y Cnollo (C) patr6n A, el cual presenta las bandas Intensas 1 F con movilidad de 0.4 y 2F con mOVIlidad de 0.73, ambas ausentes en el complejo de bandas homogeneas a los otros cultivares que contorman el pa- tr6n B. De igual forma, el patron A presenta un conjunto de 12 bandas detimdas, mlen- tras queel otro patron (8) solo posee entre acho a nueve, algunas de las cuales son o I'" p - ! . i de baja intensidad (Figura 2), 10 que sugie- re que los cultivares dentro de cada patron pueden tener pedigrees simllares. La base genetica estrecha del ajo por descender de un solo tipo ancestral, su in- capacidad para producir semilla sexual, el hecho de ser una especie introducida a Colombia y el reducido numero de cultiva- res evaluados, inducen a pensar en la po- ca variabilidad presente en esta colec- ci6n. Sin embargo, el desarrollo de las tecnicas electroforEWcas refJeja la existen- cia de diversidad genetica entre los mate- riales examinados. Ugarrreto (1992), en la caracteriza- cion morfologica y de rendimiento de los mismos cultivares de ajo, tambien encon- tro diterenciaci6n genetica entre las acee- slones (Costa Rica y Criollo) de patron electroforEHico A y los demas eultivares de patron 8. EI primer grupo se caracteriza por tener bulbos sin tunicas envolventes y dlentes pequenos de tamano inferior a 5 x 15 mm y el segundo grupo son cultivares de bulbos protegides per tlinicas y con o 0.5 __ __., __ - : 2:1l _~~ ___ .. ~4(D hOj-a " "- 1~ blIlbiUo 1 0 -fl' 1.0 FIGURA 2. Patrones electroforelicos de proteinas totales de bulbillos y esterasas de hojas en geles de polyacrilamida de 10%. 96 LIGARRETO M., G.A., ARTUNDUAGA S.R., Gerrnoplasma de ajo dientes en su mayo ria grandes de tamano superior a 5 x 15 mm. Los patrones de esterasas de hOjas correspondientes a las variedades de los grupos 2, 3 Y 4 de la clasificacion morfo- agronomica (Tabla 1) aparecen en la Fi- gura 2; en los electroforegramas no se distinguen patrones c1aros por movilidad. Solo se aprecia que los genotipos chile- nos (grupo 3) pose en las dos bandas de la mitad del gel (1 G) con mayor intensidad relativa que los genotipos Peruano (P) y Morado Claro (ML) representativos del grupo 4 y de menor intensldad relatlva que los genotipos Arequipa (A) y Morado pequeno del grupo 2. Aun cuando hay baJa resoluclon para algunas bandas de los patrones de este- rasas, se observa que en el genotipo Chl- leno rojo (CR) hay un grupo de tres ban- das seguido a las dos primeras, a diferencia del Chileno blanco (CB), que solo tiene un par de bandas; a su vez, Ja ultima banda vIsible de color "negro" esta definida en el ajo rOJo (CR) y dlfusa en el Chilena blanco (CB). No tue posible una dlferenciaci6n clara de los genotipos de los olros grupos, debldo a la falta de VI- sualizaclon de las IsoenZlmas. Resulta- dos similares son los comentados por Si- quelra et. al. (1985) qUienes utlhzando las isoenzimas: PGI, ADH, EST Y PRX obtuvieron ocho patrones de bandas en la caracterizaclon de clones de a)o. CONCLUSIONES 1. La metodologia desarrollada es sencl- lIa y rapida para hacer estudlos de des- cnpcion electroforetlca en ajo (Allium sativum L.). 2. Mediante la electroforesis de proteina total de bulbillos se dlferenciaron dos grupos de cultlvares, 10 que refleja la existencla de vanabilidad genetlca. 3. Los cultivares que representan a los grupos 2 (Arequipa y Morado peque- no), 3 (Chile no) y 4 (Peruano y Morado Claro) difieren en la intensldad relativa de las bandas en los patrones electro- foreticos de esterasas de hojas. 4. Para corroborar la c1asificacion entre vanedades de ajo se sugiere reahzar electroforesls con otros marcadores geneticos. 5. La tecnica presenta una valiosa ayuda en la dlferenciaci6n de cultivares de ajo, 10 cual es importante en el mante- nimlento de los bancos de germoplas- ma y registro de variedades. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Aslley, D.; Innes, N.I.; Van Der Meer, O. 1982 Genehc resources of allium species Roma, IBPGR 38 P 2. 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