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Introducción
El cacao (Theobroma cacao L.) es cultivado en muchos países del mundo donde se reúnen las condiciones edafoclimáticas idóneas, pero su centro óptimo para el cultivo se encuentra entre los 20 º de latitud Norte y 20 º de latitud Sur. En el continente americano existe la mayor diversidad de cultivares de cacao con diferentes características, de las cuales actualmente se reconocen tres grandes genotipos de cacao: Criollos, Forasteros amazónicos y Trinitarios. En América se encuentra distribuido su cultivo al norte de México, pasando por Centro América y al Sur con Perú, Bolivia y Brasil (Quintero & Díaz Morales, 2004), gran parte de la diversidad genética se encuentran en México, Ecuador, Brasil, Venezuela y Perú, encontrándose incluso en Ecuador las evidencias arqueológicas más antiguos de más de 3500 años que demuestran la domesticación temprana del cacao. Ecuador y la zona Sur es uno de los países, donde se encuentra una gran diversidad genética y fenotípica de la especie Theobroma cacao L.
La distribución del cacao en el Ecuador tanto en la superficie sembrada como la producción se concentran en la provincia de Guayas, Los Ríos, Cañar, Manabí y Esmeraldas. Un cultivo de gran importancia para la economía nacional y toda la cadena de valor en la producción de cacao (Barrezueta-Unda, et al., 2017), sectores que se pueden ver afectados por diversos factores especialmente sequía, inundaciones, plagas, enfermedades, para lo cual se debe conservar su diversidad y así por medio de programas de fitomejoramiento obtener nuevos cultivares resistentes a estos factores que de no preverse pueden afectar la economía del país.
La caracterización morfoagronómica mediante descriptores estándares permite discriminar fácil y rápidamente entre fenotipos, dando a conocer las características específicas de cada accesión evaluada. Habitualmente son caracteres altamente heredables, que podrían ser detectados a simple vista ya que se expresan igual en todos los ambientes, es decir son estables. También, pueden incluir un número limitado de caracteres adicionales considerados deseables por consenso de los usuarios de un cultivo en particular (Chacón, et al., 2007). La caracterización aporta el conocimiento general y especificando estrictamente la variedad con una aproximación a su comportamiento en condiciones de cultivo (Santos, et al., 2012). Los datos concebidos acordes a los descriptores de cada genotipo estudiado son incluidos en una ficha descriptiva individual para disponer de una información ordenada acerca de estos materiales que componen el espécimen estudiado.
La descripción sistemática es la clasificación, medición o análisis de la expresión fenotípica de una colección dada, para cada descriptor previamente definido. Es un papel importante en los bancos de germoplasma pues no solo es un paso fundamental en la utilización de los recursos genéticos sino que por medio de ella extraemos una serie de características cuantitativas y cualitativas permitiéndonos hacer un mejor uso de las características agronómicas con mayor potencial descubiertas en cada accesión estudiada.
Una descripción sistemática puede ser la base para identificar cultivares o líneas genéticas de interés nacional o regional; distinguir introducciones, reconocer duplicados; identificar entradas con características deseables; clasificar cultivares comerciales, basados en criterios relevantes; estimar el grado de variación dentro de una colección de variedades. Se delibera que la descripción debe y tiene que ser clara, en términos positivos acorde a los atributos morfológicos que la accesión posee. De ninguna forma se debe describir una accesión distinguiendo con otra introducción o expresando el resultado de la descripción negativamente. A los datos de identificación se le asigna a la información que es registra por los colectores. Se describen las características que son altamente heredables, que pueden ser fácilmente vistas y que son pronunciadas en todos los ambientes. Para la evaluación preliminar se asigna un número limitado de características adicionales, preferiblemente con consenso de usuarios de cultivos particulares. Estas características podrán ser evaluadas visualmente, pero no necesariamente ser expresadas en todos los ambientes. Un descriptor es una variable o atributo que se observa en un conjunto de individuos, ejemplo: número de semillas, color del fruto, etc., (Kassambara & Mundt, 2016).
En el trabajo con recursos genéticos se utiliza la palabra “descriptor” para definir un atributo o una característica que se aprecia en las accesiones dentro de un banco de germoplasma. Una lista de descriptores es un proceso repetitivo, a medida que la identificación y documentación de los descriptores se va llevando a cabo. La guía de descriptores para una planta es un conjunto de descriptores de las cuatro categorías indicadas y permite sistematizar el trabajo de toma de datos en campo en el transcurso de la caracterización y evaluación y poder difundir la información entre personas que evalúen plantas en condiciones diferentes (Lachenaud, et al., 1999). Se agrupa los descriptores de esta forma: Descriptores cualitativos: Con una expresión discontinua y codificación arbitraria son, por ejemplo: Color, forma del ápice del fruto, etc. El segundo grupo lo constituyen todas aquellas características que tienen una graduación continua, así, longitud de fruto, anchura de fruto, grosor de pericarpio, longitud de semilla.
Se considera que las características visibles de una especie sean más o menos semejantes, por lo tanto todas no se expresan con la misma eficacia y algunos miembros de la población pueden presentar diferentes grados de expresión, que se convierten en diferentes tipos de datos o categorías de variables (Franco & Hidalgo, 2003).
Los descriptores se pueden diferenciar de acuerdo con el estado que presentan, lo cual es conocido como “estados del descriptor” se designan mediante escalas de valor. Existen distintas categorías de datos, según la expresión del descriptor que puede ser en forma cualitativa o cuantitativa. Si se expresa en forma cualitativa, se pueden generar datos binarios (también llamados de doble estado), datos con secuencia (ordinales) y datos sin secuencia (nominales). Si se expresa en forma cuantitativa, los datos generados pueden ser discontinuos (llamados también discretos) y continuos (Franco & Hidalgo, 2003).
Los descriptores han sido empleados desde hace tres décadas para caracterizar el germoplasma de las colecciones en diferentes centros de investigación tales como el Centro Agronómico Tropical de Investigación y Enseñanza (CATIE), el Banco Internacional de Germoplasma de Cacao, International Cocoa Genebank Trinidad (ICGT, International Cocoa Genebank Trinidad) y la Base de Datos Internacional de Germoplasma de Cacao (ICGD, International Cocoa Germplasm Database), entre otros (Franco & Hidalgo, 2003).
Los descriptores morfológicos se deben tomar en los órganos vegetativos y reproductivos que están menos influenciados por el ambiente; los más importantes son; la flor y el fruto en importancia decreciente las hojas, tronco, ramas, raíces y los tejidos celulares (Enríquez, 2010). El objetivo de esta investigación fue analizar la diversidad morfoagronómica existente en los 650 árboles de cacao (Theobroma cacao L.) de la colección viva de la Universidad Técnica de Machala, mediante el uso de descriptores morfoagronómicos, con el fin de conservar las posibles accesiones correspondientes a cacaos de tipo Nacional fino y de aroma para evitar la extinción de estos germoplasmas de gran valor en los mercados internacionales del chocolate.
Materiales y métodos
La caracterización morfoagronómica de los 650 árboles de cacao (Theobroma cacao L.), se realizó en el periodo comprendido entre los años 2018 al 2020, ubicados en el jardín de cacaos de la Granja experimental Santa Inés, en la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Técnica de Machala. Ubicada en las coordenadas geográficas 3°15′52.29″ S, 79°57′4.3″ W, en el Cantón Machala, Provincia El Oro, Ecuador.
Se caracterizaron 650 árboles del cacao, a los cuales se les tomo 51 descriptores morfoagronómicos de acuerdo al Catálogo de clones de cacao del CATIE (Phillips-Mora, et al., 2012) enumerados en el Cuadro 1, todos debidamente etiquetados y cuidando un manejo agronómico uniforme en el cultivo, selección de material sin la incidencia de patógenos que puedan inferir en los resultados. Según el sistema de clasificación de climas de Pourrut, et al., (1995), este lugar corresponde al clima seco a semi-húmedo, con un total pluviométrico anual entre 500 y 1.000 mm recolectados de diciembre a mayo; la estación seca es muy marcada; y las temperaturas medias elevadas, superiores a 24°C. De acuerdo al mapa de taxonomía de suelos del Atlas de la provincia de El Oro (2014), indica que se encuentran en los órdenes de suelos que van desde los Entisoles en las llanuras aluviales hasta los Inceptisoles en los sitios de mayor altura a nivel del mar y una humedad relativa de 84% (Villaseñor, et al., 2015).
Los parámetros evaluados que se tomaron in situ, para la caracterización fueron basados en los descriptores cualitativos y cuantitativos de Cacao propuestos por Phillips-Mora, et al., (2012), donde indica cómo y en qué momento del ciclo del cultivo se deben tomar los datos, los mismos que se registraron en matrices propuestas por FAO para la caracterización de recursos fitogenéticos (Santos, et al., 2012). Para la caracterización morfológicamente se usaron una lista de 51 descriptores (Tabla 1): donde constan 8 de hoja, 21 de flores, 17 de fruto y 5 de semilla proporcionados por el catálogo de Catie (Phillips-Mora, et al., 2012). Todos los datos se tomaron en 5 ejemplares de cada órgano descrito y luego se promediaron para el análisis estadístico.
Tabla 1 - Descriptores utilizados para la caracterización morfológica de cacao.
| DESCRIPTORES MORFOLÓGICOS | CODIGO | ||
|---|---|---|---|
| Hoja | D1. Color brote terminal | CBT | |
| D2. Forma de la hoja | FH | ||
| D3. Forma del ángulo | FA | ||
| D4. Forma de la base | FB | ||
| D5. Ancho de la hoja (cm) | AH | ||
| D6. Longitud de la hoja (cm) | LH | ||
| D7. Longitud del peciolo (cm) | LP | ||
| D8. BPA (cm) | BPA | ||
| Flor | Pedicelo | D9. Longitud (mm) | PL |
| D10. Ancho (mm) | PA | ||
| D11. Intensidad de la antiocianina | PIC | ||
| Sépalo | D12. Longitud (mm) | SL | |
| D13. Ancho (mm) | SA | ||
| D14. Intensidad de la antiocianina | SIC | ||
| Lígula | D15. Longitud (mm) | LL | |
| D16. Ancho (mm) | LA | ||
| D17. Intensidad de la antocianina | LIC | ||
| Filamento | D18. Longitud (mm) | FL | |
| D19. Ancho (mm) | FAN | ||
| D20. Intensidad de la antocianina | FIC | ||
| Estaminoide | D21. Longitud (mm) | EL | |
| D22. Ancho (mm) | EA | ||
| D23. Intensidad de la antocianina | EIC | ||
| Estilo | D24. Longitud (mm) | ESL | |
| D25. Ancho (mm) | ESA | ||
| D26. Intensidad de la antocianina | ESIC | ||
| Ovario | D27. Longitud (mm) | OL | |
| D28. Ancho (mm) | OA | ||
| D29. Intensidad de la antocianina | OIC | ||
| Fruto | Color | D30. Inmaduro | FCI |
| D31. Maduro | FCM | ||
| Forma | D32. Fruto | FF | |
| D33. Ápice | FFA | ||
| D34. Constricción basal | FCB | ||
| Cáscara | D35. Rugosidad | FCR | |
| D36. Dureza | FCD | ||
| Baya | D37. Peso (g) | FBP | |
| D38. Longitud (cm) | FBL | ||
| D39. Diámetro (cm) | FBA | ||
| D40. Relación longitud/ diámetro (cm) | FRLD | ||
| Semillas | D41. Peso fresco por fruto (g) | SPF | |
| D42. Número por fruto | SNF | ||
| Caballete | D43. Espesor (cm) | FCE | |
| Surco | D44. Profundidad (cm) | FSP | |
| D45. Color del cotiledón | SCC | ||
| D46. Forma | SF | ||
| Semilla | D47. Forma de corte transversal | SFCT | |
| D48. Longitud (cm) | SLG | ||
| D49. Diámetro (cm) | SDA | ||
| D50. Espesor (cm) | SES | ||
| D51. Grados Brix | SGB | ||
El color del brote terminal se tomó mediante Munsell color charts for plant tissues (1977). La forma de la hoja, forma del ángulo y forma de la base se determinó de acuerdo a la clasificación de Bridwell en Parker (2000). El ancho de la hoja (cm), longitud de la hoja(cm), longitud del pecíolo (cm) y longitud desde la base hasta el punto más amplio de la hoja (BPA) y los demás se tomaron usando un vernier digital marca Stanley.
Para garantizar que las flores sean frescas se escogieron en la tarde los botones florales que comenzaban abrir y se marcaron par ser recolectados al día siguiente en horas de la mañana como flores recién abiertas. Se evaluaron los siguientes parámetros utilizando una cámara de alta resolución y el programa Photoshop para medir: longitud y ancho del pedicelo(mm), longitud y ancho del sépalo (mm), longitud y ancho de la lígula (mm), longitud y ancho del estaminoide (mm), longitud y ancho del pétalo (mm), longitud y ancho del estilo (mm), longitud y ancho del ovario (mm). Además de la presencia o ausencia de Antiocianina en todos los óranos de la flor antes citados.
Se recolectaron 5 frutos verdes y 5 maduros sanos de cada árbol para determinar el color usando Munsell color charts For Plant Tissues (1977), con una balanza digital electrónica CAMRY ACS-30KG/LB-JE31 se determinó el peso del fruto (kg), con el calibrador se midió la longitud(cm), diámetro (cm), y se calculó la relación longitud/diámetro del fruto. Los descriptores: forma del fruto, del ápice, constricción basal, rugosidad, se tomaron siguiendo las directrices propuestas por Phillips-Mora, et al., (2012), en el catálogo de cacaos del CATIE.
Con los frutos analizados en el proceso anterior se les extrajo las semillas, con la extracción del mucilago y la utilización del refractómetro marca BOECO-103 se determinó los grados brix. Luego se evaluaron los siguientes parámetros: número de semillas mazorcas; el color del cotiledón se determinó mediante Munsell color charts For Plant Tissues (1977); la Longitud (cm), diámetro (cm) y espesor (cm) se medió a través del vernier digital marca Stanley. Los descriptores forma de la semillas y forma del corte transversal se determinaron mediante comparación por las propuestas por Phillips-Mora, et al., (2012), en el catálogo de cacaos del CATIE.
Los análisis estadísticos se realizaron con los datos recolectados en la caracterización in situ y ordenados en una matriz de Excel con un archivo csv delimitado por comas de office 2019, que contenía la información de 650 accesiones de cacao (observaciones) y las medias de 5 repeticiones para los 51 descriptores (variables). El procesamiento de la información se realizó con el software R, utilizando la interfaz de Restudio, análisis de componentes principales.
El análisis de componentes principales PCA, en R se puede desarrollar con múltiples paquetes, pero estadísticamente para un estudio de agrupamientos de conglomerados jerárquicos y evidenciar cuales son los descriptores más discriminantes como en nuestro caso, se debe realizar la estandarización previa de los datos, de esta forma se evita la perdida de información, todos estos procedimientos se realizaron con el paquete Factoextra (Kassambara & Mundt, 2016).
A partir de la reducción de datos por medio del análisis factorial se extrae los componentes principales por el método de Varimax obteniendo como resultados más relevantes las comunalidades, la varianza total explicada, Figura de sedimentación, matriz de componentes rotados, Figura de componentes de los factores. Esta técnica multivariante permite el tratamiento conjunto de las variables observadas reduciendo el número de datos, identificando los grupos de variables, sintetiza datos y los relaciona entre sí, sin hacer ninguna hipótesis previa sobre lo que significa cada factor inicial. Se realiza el análisis de conglomerados para conformar grupos y analizar las similitudes entre los cacaos cultivados con base en los descriptores para determinar similitudes entre los árboles en estudio. Este proceso se realizó a partir del análisis de agrupamiento para datos multiestado con los valores de las proyecciones denominadas puntuación de factoriales del análisis de componentes principales.
Resultados y discusión
En el análisis de componentes principales (PCA), permite determinar mayor acumulación de la varianza en 12 descriptores: ancho de la hoja (HA), largo de la hoja (LH), longitud desde la base hasta el punto más amplio de la hoja (BPA), intensidad de la antocianina del pedicelo (PIC), intensidad de la antocianina del ovario (OIC), ancho del estilo (ESA), longitud del estilo (ESL), ancho de la lígula (LA), ancho del pedicelo (SA), profundidad del surco (FSP), espesor del caballete (FCE), peso del fruto (FBP), longitud del fruto (FBL).
Conocer estos descriptores más discriminantes, nos permite realizar una presentación gráfica de la diversidad existente entre los árboles estudiados, además nos permitirá ahorrar tiempo y recursos en futuros trabajos de caracterización. De los 12 descriptores más discriminantes, 6 corresponden a los de flor, después del fruto y semillas con 4, estos resultados coinciden con los hallazgos citados por Lachenaud, et al., (1999), donde se utilizan descriptores de flor para estudiar la variabilidad de árboles de cacao en la Guayana Francesa; otros estudios realizados en 150 árboles en Brasil por Santos, et al., (2012), también señalan estos descriptores como los más útiles a la hora de analizar la diversidad fenotípica en árboles de cacao.
Estos resultados se pueden visualizar en la acumulación de la varianza representada de manera tridimensional (Fig. 1) para observar la tendencia de agrupación en los 650 árboles estudiados, para observar a los descriptores más discriminantes en forma bidimensional vemos la Fig. 2, que muestra cómo se separan los 12 descriptores más importantes del resto.
El porcentaje de varianza acumulada en el componente 1 (12%) y el componente 2 (8%) suman el 20% de la varianza total explicada, este porcentaje se debe al gran número de descriptores y accesiones estudiadas, al tener mayor posibilidad de diluirse en más grupos, la variabilidad se explica con bajos porcentajes en los dos primeros componentes; si miramos el total acumulado en los 3 primeros componentes vemos que la varianza acumulada por ellos es del 34% aproximadamente (Fig. 3), lo que se explica mejor nuevamente por el gran número de descriptores usados para el análisis, cabe resaltar que ya con estos resultados preliminares se puede volver a realizar el análisis usando tan solo aquellos descriptores más discriminantes para obtener agrupamientos más sólidos y confiables.
Fig. 3 - Porcentaje de varianza acumulada por el número de descriptores utilizados y el número de accesiones estudiadas.
Estos descriptores tiene similitud con estudio previos con la colección de cacao nacional, de la colección de la UTMACH, pero con menor varianza la cual se debe específicamente al número de accesiones y descriptores utilizados (Quevedo, et al., 2020). Los niveles óptimos de varianza deben corresponder a porcentajes mayores al 45%, sin embargo se debe considerar que los descriptores fueron 51 lo que amplía el rango para diluir la varianza, teniendo así una diferencia con otros estudios donde se describe la varianza de acuerdo a la estructura de la planta, comparados la suma de los 5 componentes este estudio equivale al 37,1 con respecto a la clasificación por su estructura, en el estudio propuesto por Santos, et al., (2012), se señala que si se calcula la varianza entre cada descriptor de acuerdo a las estructuras de los árboles, esta puede aumentar y permitirnos usar solo los descriptores más discriminantes de cada estructura.
El análisis de conglomerados por medio del método de Ward del software R versión 4.0.2 (Fig. 4), dio como resultado 35 subgrupos que se alinean en 10 grandes grupos bien definidos, esto demuestra la alta diversidad fenotípica de esta colección de árboles de cacao, también se encontró que la mayor diversidad morfoagronómica de esta colección de 650 árboles está representada en 60 individuos, con descriptores agronómicos promisorios tales como peso del fruto, longitud del fruto, ambos de gran potencial para ser usado en la mejora genética de esta especie.
Para tener una mejor representación del dendrograma se realizó la aplicación del método de representación circular de los 10 grandes grupos por medio del método Ward, utilizado para grandes números de observaciones como es nuestro caso (Kassambara & Mundt, 2016).
Conclusiones
De los 51 descriptores usados solo 12 agrupan el 34% de la varianza total explicada por los 3 primeros componentes, lo que indica una alta variabilidad morfoagronómica existente en la colección de cacaos UTMACH.
El análisis de conglomerados con los 12 descriptores más discriminantes clasifica las accesiones en 35 subgrupos y 10 grandes grupos que muestran una alta variabilidad intraespecífica, diferencias que indican la existencia de accesiones muy diferentes entre sí, aunque 60 pueden considerarse pocas pero que pueden ser de gran importancia para la conservación de la diversidad genética de T. cacao L.
Los 12 caracteres seleccionados son importantes para la discriminación de accesiones de T. cacao L., y podrían indicarse como un conjunto básico de atributos para ser utilizados en la caracterización de germoplasma de esta especie.
