Influencia de los factores químicos y físicos sobre la regeneración de embriones somáticos de Coffea arabica en biorreactor simplificado

Abstract

El café es uno de los productos agrícolas más importantes del mercado internacional. Su producción genera ingresos que para algunos países principalmente de América Latina, es su principal fuente de divisas. Sin embargo, el control fitosanitario y los costos de fertilización constituyen una parte significativa de los costos de producción, por lo que se han desarrollado programas de selección y mejoramiento genético de variedades que permitan mantener o aumentar la productividad. C. arabica, es la especie más cultivada a nivel mundial por la alta calidad de su bebida y baja vulnerabilidad a enfermedades. C. arabica representa el 70 por ciento de la producción del mercado mundial y C. canephora el 30 por ciento restante. En Centroamérica en el marco de la red de PROMECAFE, diversas instituciones desarrollan un programa de mejoramiento genético cruzando variedades tradicionales de café con variedades silvestres, con el objetivo de propagar luego a escala comercial los híbridos F1 seleccionados por criterios de resistencia a enfermedades, vigor y productividad. Debido a la condición heterocigota de los híbridos, la propagación masiva por embriogénesis somática haciendo uso de biorreactores simplificados, ha constituido la alternativa más viable para propagar los híbridos de café a gran escala. Hasta ahora se conoce el proceso de propagación, pero es necesario optimizar ciertas etapas del proceso para lograr una alta productividad y a bajo costo. Algunas etapas del proceso ya han sido estudiadas y conocidas ampliamente. El objetivo de este trabajo fue optimizar la etapa correspondiente a la regeneración de embriones somáticos, estudiando el efecto de los factores químicos (sales minerales, vitaminas y reguladores de crecimiento de diferentes medios de cultivo) y factores físicos (frecuencia y duración de las inmersiones en el biorreactor y ritmo de cambio de medio), sobre la producción y calidad de los embriones somáticos. Igualmente se estudió el efecto que tienen estos factores físicos sobre la nutrición mineral. De los resultados obtenidos encontramos que las sales minerales del medio de cultivo Yasuda usando concentraciones de BAP entre 4 y 6 mg/l, son las mejores en términos de mayor producción y calidad de los embriones somáticos en estado de torpedo (más de 80 por ciento), así como una alta tasa de conversión en planta (56 por ciento). En cuanto a la calidad de las inmersiones se demostró que frecuencias altas y de corta duración diaria, son las más favorables en el proceso de regeneración (6 veces por 1 minuto diario), mientras que altas o bajas frecuencias pero con excesiva duración de las inmersiones (15 minutos) por día, provocan problemas de vitrificación de los embriones disminuyendo su calidad (20 por ciento). Un ritmo de cambio del medio de cultivo con mucha frecuencia (semanalmente) provoca un estrés en el tejido vegetal y cambios poco frecuentes (cada 8 semanas), un déficit nutricional que afectan la biomasa total y cantidad de embriones, pero no su calidad. Una frecuencia de cambio de medio de 6 semanas, es el recomendado para permitir un buen crecimiento de los agregados embriogénicos durante la expresión embriogénica y posterior desarrollo óptimo de los embriones (3000 embriones/biorreactor). De los elementos minerales estudiados, el P y N son los más consumidos por el tejido vegetal durante las primeras semanas de la regeneración, convirtiéndose en factor limitante para la producción de embriones después de 6 semanas de cultivo. El presente estudio contribuyó a mejorar la producción y a obtener una calidad óptima de los embriones somáticos en estado de torpedo, lo cual evidencia la eficiencia del uso de biorreactores con inmersión temporal en la propagación masiva de café.

Coffee is one of the main agriculture products in the international market. Its production generates incomes that for some countries, especially from Latin America are their main foreign exchange source. However, phytosanitary and fertilizing costs constitute a significative part of this crop's overall production costs. Because of this, selection and genetic improvement programs of varieties which allow to maintain or increase the productivity of C. arabica, which is the most widely cultivated species at worldwide level due to its high quality and diseases vulnerability have been developed. C. arabica represents 70 percent of worldwide production market followed by a 30 percent of C. canephora. In Central America within the umbrella of PROMECAFE, several institutions have developed a genetic improvement program by crossing coffee traditional varieties with wild varieties to thus propagate at commercial scale the F1 hybrids selected through disease resistance, vigor and productivity criteria. Due to these hybrids heterozygotic condition, massive somatic embryogenesis propagation using simplified bioreactors has become the most viable alternative to propagate these hybrids at big scale. Up to now, the propagation process is known but it is necessary to optimize certain stages to attain a high productivity at low cost. Some stages of this process have been already studied and are widely known. The main objective of this work was to optimize the stage corresponding to somatic embyos regeneration, studying the effect of chemical (mineral salts, vitamins and growth regulators of different culture media) and physical (frequency and duration of immersions in the bioreactor and rhythm of medium changes) factors on production and quality of somatic embryos. Likewise, the effect of these physical factors on mineral nutrition was studied. From the results obtained, it was found that mineral salts from the Yasuda culture medium using BAP concentrations from 4 to 6 mg/l, were the best, in terms of higher somatic embryos production and quality at the torpedo stage (more than 80 percent), showing also a high conversion rate into plants (56 percent). Regarding immersion quality, it was demonstrated that daily high and small duration frequencies are the most favorable for the regeneration process (6 times by 1 minute daily), while low and long duration daily immersions (15 minutes) provoke vitrification problems to the embryos, reducing their quality (20 percent). Very frequent (weekly) culture medium changes produce stress to plant tissues and little frequency changes (every 8 weeks) nutritional shortages, which affect the total biomass and embryos quantity, but not their quality. A medium changing frequency of 6 weeks is recommended to allow a good growth of the embryogenic aggregates during the embryogenic expression and subsequent embryos optimum development (3000 embryos/bioreactor). From the mineral elements under study, P and N were the most consumed by the plant tissue during the first regeneration stages, becoming after 6 weeks of culture a limiting factor for embryos production. This research contributed to improve production and to obtain an optimum somatic embryos quality at the torpedo stage evidencing the efficiency of its utilization.