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Proyecto de PhD - Colaboración Francia- México
Título: Diversidad y determinismo genéticos de la composición en lipidos del cafeto.
Laboratorio en Francia: Unidad de Investigación CIRAD/IRD, UMR-RPB "Resistencia de las
plantas a los Bioagresores", IRD, BP 64501,.34394 Montpellier Cedex 5
Directores del PhD: Christophe Montagnon; Benoît Bertrand; Stéphane Dussert
Key words: Coffea arabica, calidad organoléptica, NIRS, Fenotipaje, selección precoz,
composición bioquímica, lipidos, QTL, genes candidatos.
Introducción
El cafeto (Coffea sp.) proporciona el segundo producto de exportación agrícola después del arroz
y ocupa por lo tanto un lugar estratégico en la economía de los países productores del Sur. La
especie allotétraploide C. arabica L. representa un 70% de la producción mundial. No obstante,
las principales variedades seleccionadas de C. arabica son susceptibles a numerosos agentes
patógenos incluidos el de la roya (Hemileia vastarix) o el de la antrácnosis (Colletotrichum
kahawae) y los nematodos agalladores de la clase Meloidogyne (Sr. exigua, Sr. incognita, Sr.
paranaensis y Sr. arabicida).
Se desarrollaron algunas variedades resistentes de C. arabica a las principales enfermedades
introgresando genes de resistencia procedentes de diferentes especies de cafeto como son C.
canephora y C. liberica. Hay que notar que dichas especies producen cafés de calidad inferior. Se
ha observado que la introgresión de tales genes de resistencia se acompañó de modificaciones
negativas en la calidad organoléptica del C. arabica.
Los ácidos grasos son compuestos importantes de la calidad organoléptica de distintos productos:
i) propiedades reológicas, ii) propiedades organolépticas e iii) propiedades para la salud humana
(prevención de los riesgos cardiovasculares y cáncer). La composición en ácidos grasos, en
particular, en ácidos grasos no saturados (ácidos linoleicos y linolénicos principalmente),
determina también la estabilidad oxidativa de los productos durante su transformación (ej.
torrefacción del café) y su almacenamiento (rancidez de los aceites) (Wilkes y AL, 2000; Naz y
AL 2005). Los productos de alteración de los ácidos grasos, en particular, los numerosos
subproductos de su peroxidación, confieren al producto final numerosos aromas desfavorables
("off-flavors"). Los ácidos grasos no saturados que son mucho más sensibles a los procesos de
alteración físicos-químico bajo la forma libre que bajo la forma esterificada (Gunstone, 1996), los
mecanismos de hidrólisis de los lípidos de reserva de la semilla o la fruta, conduciendo a la
acumulación de ácidos grasos libres, revisten pues también una gran importancia en términos de
calidad final de los productos (sobre el plan salud pública, en particular). Por último, los lípidos
son una matriz que constituye el tanque principal de los aromas del producto final (Flament,
2002). En contraste con la importancia económica y social del café, nunca se ha estudiado la
diversidad genética para el contenido y la composición en AG. Esto se explica por el elevado
coste (300-400 Euros/análisis) de los análisis bioquímicos y por la longitud de los ciclos del café.
El conocimiento profundo de la diversidad y los determinismos genéticos de esta familia de
compuestos bioquímicos, podrá desembocar en el mejoramiento de la calidad del café por:
-
La puesta en evidencia de criterios varietales para los AG
-
-
La creación de variedades mejoradas que producirán granos cuya composición en ácidos
grasos será más próxima a la composición ` ideal' en términos de estabilidad oxidativa, de
formación "de off-flavors", de aromas y de calidad alimenticia y organoléptica.
La revelación de productos cuya tipicidad aumentará las plusvalías.
La puesta a punto de una herramienta fenotipaje de alto débito (por utilización de la
espectroscopia infrarojo cercano) podrá utilizarse al terminar este proyecto para el estudio de
grandes poblaciones (véase curso de postgrado propuesto en relación con este PhD). Estas
inovaciones beneficiarán a los productores, a los consumidores y a los industriales. Lo que está
en juego es la difusión de nuevas variedades mejoradas por estos caracteres y el reforzamiento de
los conocimientos científicos en el ámbito transversal que vincula la química y la genética.
Estado de los conocimientos
El aumento del contenido en aceite de las semillas fue objeto de numerosos programas de
selección en las principales plantas oleaginosas templadas (colza, girasol, soja, maíz), las
ganancias más notables siendo seguramente las realizadas en el maíz con variedades mejoradas
que contenían más de un 20% de lípidos contra un 4-5% en las variedades tradicionales
(Hazebroek, 2000). De la misma forma, la selección llevó sus esfuerzos sobre la modificación de
la composición en AG, en particular, su grado de insaturación, éste condicionando el punto de
fusión, la estabilidad oxidativa, el polimorfismo cristalino y las características alimenticias del
aceite o mantequilla extraída de las semillas y frutas de las plantas oleaginosas. La metodologia
propuesta en este proyecto de PhD fue persguida con éxito en la mayoría de las plantas
oleaginosas templadas. Un ejemplo frecuentemente citado para ilustrar la eficacia de esta
metodologia es el bajo contenido en ácido erúcico (22:1) en la colza. Una evaluación masiva de
los recursos genéticos permitió definir genotipos desprovistos de este ácido graso muy conocido
como dañino para la salud humana (riesgo cardiovascular) entonces que representaba un 50% de
los ácidos grasos totales en las variedades tradicionales. La selección permitió crear variedades
mejoradas desprovistas de ácido erúcico (Zorro y AL. 1992). Más recientemente, se puso de
manifiesto que los dos genes homólogos del gene FAE1 (fatty acid elongase) de Arabidopsis
cosegregan con los dos loci que controlan el contenido en ácido erúcico (Fourmann y AL., 1998).
En esta planta el esfuerzo se refiere a la disminución del contenido en ácido linolénico (18:3, muy
sensibles a la oxidación) mediante la utilización de mutantes (Auld y AL, 1992). Una vez más,
cada uno del dos QTLs definidos para el contenido en ácido linolénico cosegrega con una copia
del gene FAD3 (fatty acid desaturase) llevada por uno de los 2 genomas parentales (Hu et al,
2006). En el girasol cuyo aceite es naturalmente rico (60%) en ácido linolénico (18:2), mutantes
permitieron la creación de variedades ricas en ácido oléico (18:1 > 90%), en adelante utilizada
para, los aceites alimenticios de mezcla (tipo Isio4), y también en la industria de los lubricantes y
polímeros, y de las variedades ricas en ácido esteárico (18:0). La búsqueda de los determinantes
genéticos de estos fenotipos originales puso de manifiesto que en estos casos, es generalmente el
gene de función que fue afectado (Lacombe et Bervillé, 2001, Perez-Vich et al, 2002). En los
recientes estudios mencionados anteriormente, la contribución de los conocimientos acumulados
en las plantas modelas fue muy significativa y lo estará también en el marco de este proyecto. Las
distintas vías de biosíntesis y compartimentación de los lípidos de reserva en adelante se conocen
bien (Beaudoin et Napier, 2004). En Arabidposis, se identificaron 620 genes implicados en la
síntesis, el metabolismo y el catabolismo de los lípidos a este día (Mekhedov et al, 2000; Beisson
et al, 2003, http://www.plantbiology.msu.edu/lipids/genesurvey)
Para el café, se ha establecido que variaciones de composición en ácidos grasos muy
importantes existen a nivel interespecífico (Dussert y AL. 2001). En cambio, ninguna evaluación
a gran escala de los recursos genéticos de C. arabica fue llevado a cabo para estos caracteres. Sin
embargo emprendimos una caracterización preliminar de algunas variedades de Arabica
introgresadas por genes de C. canephora que pone de manifiesto que se encuentra toda la gama
de variación existente entre las dos especies en estas variedades (datos no publicados). De otra
parte publicamos un estudio sobre la variación de la composición bioquímica de los granos (y, en
particular, lípidos) que pone de relieve que los híbridos F1 son más estables que las variedades
tradicionales para el contenido en lípidos (Bertrand y AL, 2006). Un estudio puso de relieve
también el potencial de la espectrometría infrarrojo cercano para la detección de la introgression
(Bertrand y AL, 2005).
Objetivos científicos
Las cuestiones centrales de este proyecto de PhD son:
 ¿Cuál son las variaciones entre los genotipos de cafeto para la composición lipídica de los
granos?
 ¿Cuál es el determinismo genético de estas variaciones?
 ¿Cuáles son los genes implicados?
Hacemos la hipótesis basada en análisis bibliográficos que las variaciones de los lípidos tienen un
fuerte vínculo con:
la calidad de la bebida
el impacto en la salud
el poder de conservación del café verde
Los dos ejes del PhD serán:
i.
describir la diversidad genética (fenotipaje) para el contenido en lípidos, AGL y la
composición en AG
ii.
incluir el determinismo genético para el contenido en lípidos, en AGL y la composición
en AG. Se trata de a) fenotipear los individuos de las poblaciones en segregación para el
contenido en lípidos, AGL y la composición en AG, b) génotipear estos mismos
individuos por marcadores microsatellites y AFLP.
Las relaciones estadísticas entre estos dos niveles de información se considerarán a fin de
localizar QTL sobre un mapa genético.
El proyecto de PhD irá hasta a la definición y una primera validación de genes candidatos.
Métodos y técnicas
Material vegetal
Los estudios de diversidad genética sobre 30 genotipos bien conocidos y que representan un
máximo de diversidad genética sobre la base de estudios previos hechos con marcadores neutros.
Fenotipaje
Las muestras se analizarán para:
- El contenido en lípidos [ método gravimétrico de Folch y AL. (1957) ]
- La composición en ácidos grasos de los lípidos totales [ Cromatografía en Fase Gaseosa (CPG)
de ésteres metílicos de ácidos grasos (EMAG) ].
- El contenido en ácidos grasos [ método recientemente desarrollado (Genetrop-IRD) purificación por SPE (Solid Fase Extracción) - metilación selectiva (Laffargue y AL, bajo
prensa)].
Todas las muestras serán analizadas por espectroscopia infrarojo cercano (NIRS).
Genotipaje
El ADN se extraerá de las hojas de cafeto y se utilizará cincuenta marcadores microsatellites que
permiten una saturación de las regiones introgresadas (distancia mínima entre marcadores
esperada de 5 cM). La introgression representa alrededor de 1/5 del genoma de C. arabica..
Análisis para el estudio de la diversidad genética
Las distancias genéticas (DG) se calcularán entre genotipos.
Estudio del determinismo genético:
El análisis de los resultados consistirá en calcular las correlaciones entre marcadores. Para las
variables fenotípicas (contenido en lípidos, contenido en AGL y composición en AG) se
considerarán las herencias (heredabilidad). La detección de los QTL será hecha por regresión
(`interval mapping' et ` composite interval mapping').
Puesta a punto de un phénotypage a alta producción
Todas las muestras del proyecto serán analizadas por espectroscopia cercana infrarroja (NIRS) a
fin de constituir una base de datos. Se desarrollarán algunas ecuaciones (métodos de predicción
globales) para el contenido en lípidos, en AG y la composición en AGL. Esta parte se integra en
el proyecto de Master anterior al PhD.
Puesta en evidencia de genes candidatos
Numerosos recursos genómicos existen en el cafeto (mapas genéticos y las físicas) que permiten
prever la puesta en evidencia de genes candidatos implicados en la vía de biosíntesis de los
lípidos. Una primera validación se hará en función de las situaciones por los estudios de
colocalisation de los genes candidatos y los locus que controlan la variación del carácter.
Marco
Este trabajo se inserta perfectamente en la estrategia científica de la Unidad de Investigación
CIRAD/IRD en el marco del UMR "Resistencia de las plantas a los Bioagresores". Esta unidad
tiene la práctica de recibir aprendices Curso de posgrado o PhD de distintos países y en particular
de América Latina. Los investigadores de este equipo dominan el idioma español. El Cirad
trabaja con la asociación EGIDE que presta su apoyo a la instalación y la vida del estudiante
extranjero en Montpellier.
Los resultados tendrán un impacto economico importante para México y permitirá capacitar un
investigador en génética del café. Hay que notar que no existen actualemente, especialistas en
esta area en el país.