Determinación genética de caracteres de interés para el desarrollo de ideotipos de maíz destinados a la producción de bioetanol | Genetic determination of traits of interest for the development of maize ideothypes for bioethanol production

Existe un interés creciente en el reemplazo de energías no renovables por combustibles alternativos que provengan de recursos renovables, entre ellos el bioetanol a partir de productos provenientes del cultivo de maíz. En Argentina el maíz es el cereal de mayor importancia y la producción de etanol permite agregar valor a su cadena productiva. En maíz el bioetanol de primera generación (1G) se obtiene a partir del grano que proviene de cultivares híbridos que han sido seleccionados por su alto rendimiento y tolerancia a factores de estrés. En cambio, el bioetanol de segunda generación (2G) de maíz se obtiene a partir de la biomasa lignocelulósica y su elección es en función de la disponibilidad y el bajo costo, aunque en Argentina esta tecnología aún no está desarrollada. El objetivo general de este trabajo fue definir un ideotipo de maíz para la producción de bioetanol que permita sentar las bases para el desarrollo de un programa de mejoramiento genético orientado a una mayor y más eficiente producción de bioetanol. Los objetivos específicos consistieron en identificar la influencia de parámetros de calidad de grano y de biomasa y de características agronómicas y productivas sobre el rendimiento de bioetanol de primera y segunda generación en ambientes de la zona maicera núcleo de Argentina, e identificar los efectos genéticos preponderantes en cada caso. Para ello se condujeron experimentos cuyo diseño fueron en bloques completamente aleatorizados (DBCA) con dos repeticiones, en cinco ambientes del norte de la provincia de Buenos Aires. El material genético evaluado consistió en cinco líneas endocriadas de maíz desarrolladas por INTA Pergamino: L1 (LP2542), L2 (LP661), L3 (LP29), L4 (LP923) y L5 (LP214), sus diez cruzamientos entre sí y 15 híbridos comerciales. Los caracteres estudiados se agruparon en determinaciones químicas de calidad de grano (DQCG), determinaciones físicas de calidad de grano (DFCG), determinaciones químicas de calidad de biomasa (DQCB) y características agronómicas y productivas (CAYP). La caracterización de los genotipos y la asociación entre grupos de caracteres se realizaron mediante análisis factorial en grupo (GFA) empleando los BLUPs obtenidos en el análisis de varianza a través de ambientes. Se obtuvieron 𝐾 = 3 factores que agruparon las variables consideradas. El test de convergencia de las cadenas de Markov mediante un diagnóstico de Geweke, resultó de 0,0341. El factor 1 fue exclusivo de DQCG y DFCG, los factores 2 y 3 agruparon a los caracteres asociados a DQCB y a CAYP. Se identificaron dos ideotipos de maíz, destinados a la producción de biocombustible de 1G y de 2G respectivamente. Un cultivar destinado a la industria de bioetanol de 1G con rendimiento de etanol mayor a 470 l.Mg-1 , debería presentar una composición química del grano que comprenda un mínimo de concentración de almidón de 71,5 g.100 g-1 , concentración de proteína menor a 9,0 g.100.g-1 , concentración de aceite menor a 4,7 g.100.g-1 , un perfil de ácidos grasos con mayores porcentajes de ácido linoleico y menores porcentajes de ácidos palmítico y oleico. La textura del endospermo debe ser de tipo suave o harinosa presentando un peso hectolítrico menor a 76,0 kg.hl-1 , una relación de molienda menor a 3,8, un índice de flotación mayor a 70% y una densidad de grano menor a 1.2 g.ml 1 . Un cultivar destinado a la industria de bioetanol de 2G con rendimiento de etanol mayor a 519,7 l.Mg-1 , debería presentar una composición química de la biomasa con una concentración de FDN mayor a 80 g.100.g-1 y FDA mayor a 42,7 g.100.g-1 . Asimismo, se identificó que el rendimiento de etanol a partir de biomasa esta mediado por la concentración de carbohidratos estructurales y/ó la digestibilidad por lo que es deseable un cultivar con alta concentración de carbohidratos de alta digestibilidad y el menor concentración de lignina posible. Los efectos genéticos se estimaron mediante un diseño de Griffing método II y IV de efectos fijos. Se identificaron con aptitud combinatoria general (𝐴𝐶𝐺) alta y positiva a las líneas L1 y L3 para el rendimiento de bioetanol de primera generación; a las líneas L1 y L5 para el rendimiento de etanol de segunda generación; a las líneas L4 y L1 para el rendimiento de grano y a las líneas L4 y L2 para el rendimiento de biomasa. Para el rendimiento de bioetanol de primera generación prevalecieron los efectos de tipo mayormente aditivos 𝐴𝐶𝐺 y para la producción de etanol de segunda generación estuvieron presentes los efectos aditivos (𝐴𝐶𝐺) y no aditivos evaluados a través de la aptitud combinatoria específica (𝐴𝐶𝐸) con presencia de interacción genotipo por ambiente. Estos resultados son el punto de partida para lograr consolidar un programa de mejoramiento genético de maíz específico para la producción de bioetanol a partir del germoplasma de INTA, con el objetivo de alcanzar híbridos cuya producción resulte en materias primas especialmente aptas para la industria de biocombustibles que garanticen altos rendimientos con menores costos de producción.

There is an increasing interest in the replacement of conventional energy with alternative fuels from renewable resources, including bioethanol from corn. First generation bioethanol (1G) is obtained from grains from hybrid cultivars which have been selected for their high grain yield and tolerance to biotic and abiotic stresses. The second generation bioethanol (2G) is obtained from lignocellulosic biomass, although this technology has not been developed yet in Argentina. The aim of this work was to define ideotypes of corn for bioethanol production that would provide the basis for the development of maize breeding programs focused on bioethanol production. The specific objectives were to identify the influence of grain and biomass quality parameters as well as agronomic and productive traits on 1G and 2G bioethanol yield, and then to identify their genetic control. For this purpose, RCBD experiments with 2 replicates were conducted in 5 environments in the north of Buenos Aires Province. Germplasm consisted of 5 inbred maize lines developed by INTA Pergamino, their ten possible crosses and 15 commercial hybrids. The traits studied were grouped into chemical determinations of grain quality (DQCG), physical determinations of grain quality (DFCG), chemical determinations of biomass quality (DQCB) and agronomic and production traits (CAYP). The characterization of genotypes and the association between groups of traits were performed by GFA using BLUPs matrix obtained from the analysis of variance across environments. Three grouping factors were obtained. Factor 1 was exclusive of DQCG and DFCG, factors 2 and 3 clustered the traits associated with DQCB and CAYP. GCA and SCA effects were estimated using the Griffing II and IV fixed-effect designs. GCA for lines L1 and L3 was high and positive for 1G bioethanol yield, lines L1 and L5 had high and positive GCA for 2G bioethanol yield, lines L4 and L1 showed high and positive GCA for grain yield and lines L4 and L2 presented high and positive GCA for biomass yield. GCA effects were more important than SCA effects for 1G bioethanol yield. On the other hand, SCA effects and GCA effects were found for 2G bioethanol yield with the presence of GxE interaction. Two corn ideotypes destined for 1G and 2G bioethanol were identified. These results are the basis for developing a specific corn breeding program for bioethanol production based on INTA germplasm, to obtain specific hybrids for the biofuel industry that ensure high bioethanol yields with lower production costs

Fil.: Farace, María del Luján. Facultad de Ciencias Agrarias. Universidad Nacional de Rosario