Introducción

El cultivo de maíz tiene gran importancia mundial y nacional, de acuerdo con el volumen de producción, variedad de usos y adaptabilidad a diferentes condiciones ambientales (^{Rocandio-Rodríguez et al., 2014}). México dedica una superficie de 7.4 millones de hectáreas a la siembra de maíz y el estado de Morelos dedica una superficie de siembra bajo temporal de aproximadamente 26 000 ha, con rendimiento promedio de 2.8 t ha^-1 (^{SIAP-SAGARPA, 2013}). Con base en la superficie de temporal, alrededor de 80% se siembra usando semilla de poblaciones nativas (^{Ortega et al., 2010}), por lo que el germoplasma nativo de maíz es el más importante en casi todo México (^{Ángeles-Gaspar et al., 2010}). Por otro lado, el maíz presenta una amplia variabilidad genética, que permite a esta especie adaptarse a diferentes tipos de suelo y ambientes agroecológicos (^{Perales et al., 2003}; ^{Beyene et al., 2005}). Los rasgos característicos de las variedades nativas han sido la base de la formación de las razas de maíz, de las que a la fecha se han reportado cerca de 59, adaptadas a condiciones ecológicas específicas de México (^{González et al., 2006}).

El maíz nativo es el germoplasma que se ha generado y adaptado mediante selección continua a las variadas condiciones agroecológicas especificas regionales (^{GarcíaLara y Bergvinson, 2013}). La evolución de este germoplasma ha sobrevivido a una fertilización nula o limitada y baja protección sanitaria, por lo que su valor potencial reside en contener genes para resistencia a enfermedades, plagas, calidad nutritiva y adaptación a condiciones ambientales adversas (Liu et al., 2009). Sin embargo, el germoplasma nativo presenta características desfavorables tales como; alto nivel de acame, asincronía floral y bajos rendimientos, entre otros (^{Nava y Mejía, 2002}).

La evolución en el germoplasma nativo tiene su origen en la continua siembra por agricultores y la selección aplicada durante periodos largos de tiempo, lo que ha modificado características agronómicas que permiten una mejor adaptación a diferentes nichos ecológicos (^{Bellon y Berthaud, 2004}). No obstante, la diversidad en maíces nativos se está perdiendo debido a la erosión genética y cultural, uso de semilla mejorada, cambio de cultivo, migración y ocurrencia de catástrofes naturales (^{Eschholz et al., 2010}), situación que obliga a conservar (ex situ o in situ) y aprovechar este recurso vegetal en programas de mejoramiento genético (^{López-Romero et al., 2005}).

Los maíces nativos son poblaciones heterogéneasheterocigotas, que presentan un alto número de combinaciones alélicas, por lo que son una valiosa fuente natural de nuevos alelos y representan un banco insustituible de recurso genético (^{Smale et al., 2003}). La alta variación genética, característica de las variedades nativas de maíz, ha sido aprovechada en contados programas de mejoramiento genético, lo que ha permitido obtener germoplasma mejorado y adaptado a numerosos ambientes (Liu et al., 2010); Sin embargo, debido al gran número de poblaciones nativas existentes no se han evaluado en su totalidad, y por consiguiente se desconoce la relación genética que pueda existir entre dichas poblaciones (^{Martín et al., 2008}).

El incremento de la base genética del maíz es una meta importante en los programas de mejoramiento genético (^{Radović et al., 2000}), lo que puede hacerse mediante el uso de germoplasma nativo. La evaluación y caracterización de maíz nativo, se han basado principalmente en la expresión de caracteres morfológicos, por lo que la evaluación a través de ambientes se hace indispensable para medir el efecto ambiental en la expresión genética de los caracteres (^{Berardo et al., 2009}). La caracterización se ha enfocado a describir rasgos de la planta, espiga, mazorca y grano (^{Lucchin et al., 2002}); la relación morfológica entre poblaciones permite agrupar germoplasma e identificar material prometedor para su mejoramiento (^{Andjelkovic y Thompson, 2006}).

La evaluación del germoplasma nativo es necesaria para conocer y determinar su valor agronómico, además de permitir la formación de grupos con poblaciones morfológicamente similares, lo que facilita mantener y eventualmente mejorar características de interés agronómico (^{Hartings et al., 2008}). En este contexto, la presente investigación tuvo como objetivos principales: evaluar el nivel de variación morfológica entre poblaciones nativas maíz y sus cruzas F₁, y comparar la similitud morfológica de las poblaciones nativas con la similitud de sus cruzas F₁.

Materiales y métodos

El germoplasma evaluado en el presente estudio fueron siete poblaciones nativas de maíz colectadas y mantenidas por el Programa de Mejoramiento Genético de Maíz de la Escuela de Estudios Superiores de Xalostoc, las que se seleccionaron por su relativo alto rendimiento de grano en temporal y riego, y por su distinto origen geográfico. Tres de las siete poblaciones son del estado de Morelos BJM1 (2), BJM2 (3) con características afines a la raza Tuxpeño Norteño, CB029 (6) afin a Tabloncillo; tres poblaciones del estado de Tamaulipas, de las cuales CAB (1) y MOR (7) son afines a la raza Tuxpeño Norteño y la población (RAT (4) perteneciente a la raza Ratón; y una población proveniente del estado de Puebla BCP1 (5) que es una mezcla de razas tales como Ratón y Cristalinos del Caribe. Adicionalmente, también se evaluó el comportamiento de las 21 cruzas dialélicas F₁ formadas a partir de las siete poblaciones nativas, y como testigos se incluyó a las variedades comerciales H-515, Costeño Mejorado y VS-535, dando un total de 31 genotipos. Las cruzas dialélicas entre las siete poblaciones nativas se formaron en el ciclo agrícola primavera-verano 2012. La evaluación agronómica de los 31 genotipos se realizó en experimentos de campo en tres ambientes; Ayala, Morelos en el ciclo agrícola de otoño-invierno 2012/2013 (AMB-1), Ayala, Morelos en el ciclo primavera-verano 2013 (AMB-2), y Tepalcingo, Morelos en el ciclo primavera-verano 2013 (AMB-3). Los experimentos conducidos en AMB-1 (riego) y AMB-2 (temporal) se realizaron en el campo experimental de la Escuela de Estudios Superiores de Xalostoc, de la Universidad Autónoma del estado de Morelos, y el AMB-3 (temporal) en terrenos de un agricultor cooperante.

El diseño experimental usado en los tres experimentos fue un bloques completos al azar con tres repeticiones. La unidad experimental fue de cuatro surcos de 5 m de largo con una distancia entre surcos de 0.8 m. En la siembra se depositaron dos semillas por mata, cada 0.25 m, en la etapa fenológica V2 se realizó un aclareo a una planta por mata (50 000 plantas ha^-1). Las variables medidas fueron, floración masculina (FM en días) y femenina (FF en días), sincronía floral (SF en días), altura de la planta (AP en cm) y mazorca (AM en cm), diámetro de tallo (DT en cm), longitud de mazorca (LM en cm), diámetro de mazorca (DM en cm), hileras por mazorca (HM en No.), granos por mazorca (GM en No.), diámetro del olote (DO en cm), peso de 100 granos (P100G en gramos) y rendimiento de grano (RG en t ha^-1).

Los datos de las variables medidas se procesaron mediante análisis de varianza combinados. La comparación de medias se realizó mediante la diferencia mínima significativa (DMS_0.05). Se compararon poblaciones contra testigos y poblaciones contra cruzas por medio de contrastes no ortogonales. Se estimaron las varianzas genéticas y fenotípicas para poblaciones y cruzas, con base en las esperanza de los cuadrados medios. Los datos de poblaciones y cruzas por separado se sometieron a análisis de componentes principales y de grupos. El análisis de componentes principales se realizó con el uso de la matriz X de datos, conformada con los promedios de las 13 variables como columnas y como hileras las poblaciones nativas o cruzas.

El análisis de grupos se realizó con base en las distancias estadísticas Mahalanobis, misma que se uso como medida de similitud, la matriz se estimó, a través de la formula D_ij² = (µ_i - µ_j)' V^-1 (µ_i - µ_j), donde: D_ij² = distancia ente la i-ésima y j-ésima población o cruza, µ = vector de medias de la i-ésima o j-ésima población o cruza, V^-1 = inversa de la matriz de varianzas y covarianzas, (^{Manly, 2000}). Para la construcción de un dendrograma, se utilizó el método de agrupación UPGMA (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean). La totalidad de análisis estadístico se realizó con el uso del software Statistical Analysis System (^{SAS, 1999}].

Resultados y discusión

Los análisis de varianza mostraron diferencias estadísticas (p≤ 0.01) para las poblaciones y la interacción poblaciones × ambientes para la totalidad de las variables evaluadas (Cuadro 1). Con relación a la comparación de poblaciones vs testigos, la prueba estadística detectó diferencias (p≤ 0.01) en todas las variables excepto en el DO. En la comparación de poblaciones nativas vs cruzas F₁ resultaron diferencias estadísticas (p≤ 0.01) para once de las trece variables. Los coeficientes de variación fluctuaron de 2.2 a 9.3%, estos valores correspondieron a floración femenina y rendimiento de grano, respectivamente. Las diferencias estadísticas detectadas en la fuente de poblaciones son el resultado del alto grado de variabilidad genética existente entre el germoplasma evaluado, lo que es efecto del origen geográfico distinto de las poblaciones. Resultados similares se observaron en el estudio de caracterización de poblaciones de maíz nativas de Puebla, donde se determinó que la amplia diversidad encontrada en los maíces locales, está parcialmente relacionada con el origen geográfico de las poblaciones estudiadas (^{Ángeles-Gaspar et al., 2010}).

Las diferencias detectadas entre cruzas F₁ se explica por la divergencia genética entre las poblaciones nativas, se ha observado que a medida que se incrementa la diversidad genética en el germoplasma progenitor, la variación genética se incrementa en su progenie (^{Pecina-Martínez et al., 2009}). La presencia de interacción genotipo × ambiente encontrada en todas las variables medidas, permite suponer que los genotipos tienen un comportamiento diferencial de un ambiente a otro, este tipo de interacción se ha reportado en maíces nativos del valle de Puebla donde el objetivo principal fue conocer el nivel de diversidad morfológica en el germoplasma estudiado (^{Hortelano et al., 2008}). Los resultados de la comparación entre poblaciones nativas y cruzas F₁, se explican por combinación de alelos que provienen de diferente población y a que las poblaciones nativas per se tienen una alta variabilidad genética. Similar resultado se observó en un estudio de divergencia genética entre poblaciones nativas de maíz de valles altos de México y sus cruzas (^{Caraballoso-Torrecilla et al., 2000}).

Las estimaciones de varianzas genéticas y fenotípicas para las poblaciones nativas y cruzas F₁ (Cuadro 2), muestran que la varianza fenotípica en todas las variables, se expresó en mayor magnitud que la varianza genética. Lo que está de acuerdo con lo esperado, debido a que la varianza fenotípica involucra, además del componente genético, los efectos ambiental y de interacción genotipo-ambiente (^{Rocandio-Rodríguez et al., 2014}). El rango en general mayor tuvo mayor amplitud en las cruzas F₁ que en las poblaciones nativas, lo cual puede ser explicado por que éstas últimas al ser poblaciones heterogéneas y en gran medida heterocigotas, mostraron un mayor grado de combinaciones alélicas lo cual generó un mayor nivel de variabilidad genética (^{Hortelano et al., 2008}).

Los resultados del análisis de componentes principales para las poblaciones nativas (Cuadro 3), identificaron cinco componentes principales que explicaron de manera acumulativa 91.2% de la variación fenotípica total observada entre poblaciones. Considerando que la visualización de las relaciones inter-poblacionales es adecuada de forma gráfica cuando se consideran tres dimensiones; la discusión de los resultados se enfoca en los tres primeros componentes, los que de manera conjunta explicaron 72.5% de la variación fenotípica total inter-poblacional. Respecto a los vectores propios de los componentes principales, considerando el CP1, el cual explica la mayor cantidad de variación fenotípica por componente (33.3%) se encontró que dicho componente estuvo mayormente determinando por seis de las trece variables medidas como son: la floración masculina (FM) y femenina (FF) con valores de contribución de 0.8 y 0.87 respectivamente, longitud y diámetro de mazorca, con valores de contribución de -0.73 y -0.8, P100G y RG con valores de 0.77 y 0.78.

Respecto a la similitud morfológica entre poblaciones nativas (Figura 1), el análisis de componentes principales (Figura 1A) muestra una amplia dispersión espacial de las siete poblaciones en los cuatro cuadrantes bidimensionales formados por CP1 y CP2. Las poblaciones CB029 (origen Morelos) y CAB (origen Tamaulipas), se ubicaron en el cuadrante uno, considerando el tercer eje dimensional (CP3) dichas poblaciones se encuentran en un diferente plano espacial. En el segundo cuadrante se situaron las poblaciones BJM1 (Morelos), RAT (Tamaulipas) y BCP1 (Puebla). La población nativa BJM2 del estado de Morelos se ubicó en el tercer cuadrante y finalmente la población MOR (Tamaulipas), se localizó en el cuarto cuadrante. Los resultados del análisis de grupos (Figura 1B) para las poblaciones nativas, detecto coincidencias en la similitud morfológica inter-poblacional, como las identificadas en el análisis de componentes principales.

Figura 1 Relaciones entre poblaciones basada en el análisis de componentes principales (A) y dendrograma de similitudes morfológicas generada por el análisis de grupos (B) para las poblaciones nativas de maíz. 

El dendrograma distinguió seis grupos (Figura 1B), donde en el grupo (III) se ubicó el mayor número de genotipos, agrupando a las poblaciones nativas BJM1, RAT, y a las variedades mejoradas testigo, Costeño Mejorado y VS535. Este grupo se caracterizó principalmente por tener una floración intermedia (66 días), una LM de 18.5 cm y un RG de grano de 5.10 t ha^-1. En los otros cinco grupos formados, estuvieron distribuidas el resto de las poblaciones nativas, lo que es un indicativo de la alta variabilidad genética y por tanto fenotípica presente entre las poblaciones evaluadas, estas al ser de naturaleza panmíctica son también de amplia base genética. Los resultados descritos indican la existencia de una alta variación genética inter-poblacional en los 13 caracteres morfológicos medidos, lo que también ha sido reportado en otros estudios llevados a cabo con germoplasma nativo, particularmente en la parte oriente del Estado de México, donde concluyeron que variables vegetativas relacionadas con la espiga y características de grano de maíz, fueron relativamente menos afectadas por el ambiente, las cuales podrían usarse para explicar con mayor eficiencia las diferencias entre poblaciones nativas de maíz (^{Herrera et al., 2000}).

La dispersión de las poblaciones nativas a través de los cuatro cuadrantes bidimensionales y el tercer eje representado por el CP3, confirman la existencia de altos niveles de variación en los caracteres evaluados, lo que era de esperarse debido al origen distinto del germoplasma evaluado. Por otro lado, las variables relacionadas con la floración y tamaño de mazorca identificadas por esta investigación, como las que determinan mayormente el CP1 (33.3% de la variación fenotípica), coinciden con las de mayor importancia determinada en un estudio de caracterización de poblaciones nativas de maíz en el estado de Puebla (^{Ángeles-Gaspar et al., 2010}).

El análisis de componentes principales para las cruzas F₁ (Cuadro 4) mostró de igual manera que en las poblaciones nativas, a los cinco primeros componentes como los de mayor importancia. De manera conjunta, éstos explicaron 83% de la variación fenotípica total observada entre cruzas F₁. Con base en los tres primeros componentes; éstos explicaron independientemente, CP1= 27.5, CP2= 21.1, y CP3=15% de la variación total observada entre las cruzas F₁. La mayor cantidad de variación fenotípica fue explicada por el CP1, las variables con mayor contribución para este componente fueron: AP, AM, DT, LM y GM, con valores propios de -0.76, -0.64, -0.46, 0.81 y 0.79, respectivamente.

Al comparar el grado en que los cinco y tres primeros componentes principales explican la variación morfológica inter-poblacional (91.2 y 72.5%, respectivamente) y la variación inter-cruzas F₁ (83 y 63.6%, respectivamente), la disminución observada en los valores de las cruzas F₁ se debe a que al hibridar poblaciones panmícticas se genera mayor variabilidad genética en su progenie (^{Romero et al., 2002}), por lo que se requiere de un mayor número de componentes principales, para explicar la variación morfológica que se genera en cruzas F₁. Los resultados del análisis de componentes principales (Figura 2A) determinaron una mayor dispersión espacial entre cruzas en los cuadrantes bidimensionales formados con los componentes CP1 y CP2. Seis cruzas se ubicaron en el cuadrante I, las cuales mostraron los más altos valores en longitud de mazorca (19 cm), diámetro de mazorca (5.0 cm) e hileras por mazorca (16). En el cuadrante II se agruparon ocho cruzas que tuvieron las mazorcas con la menor longitud (17 cm) y diámetro de mazorca (3.2 cm) y mayor diámetro de olote (2.8 cm). En el cuadrante III se localizaron seis cruzas, relacionadas por la longitud de la mazorca (17 cm), granos por mazorca (506 a 659) y el peso del grano de 57 g. En el cuadrante IV se ubicaron las cruzas C17 y C37, definidas por su floración más tardía (70 días a FM) y con altura de planta de 274 cm, así mismo fueron las de mayor número de granos por mazorca (622).

Figura 2 Relaciones entre cruzas basada en el análisis de componentes principales (A) y dendrograma de similitudes morfológicas generada por el análisis de grupos (B) para cruzas F₁ de maíz. 

El dendrograma generado por el análisis de grupos para las cruzas F₁ (Figura 2B), define la formación de cinco agrupaciones. Sólo las cruzas C17 y C47 se separaron como grupos independientes. Las ocho cruzas en el grupo I, se caracterizan por presentar los valores más altos en la longitud de mazorca (19 cm), valores intermedios en el número de granos por mazorca (578), mayor peso del grano (56 g) y rendimientos intermedios (5.2 t ha^-1). Este grupo I integra el mayor número de cruzas e intervienen todas las poblaciones nativas del estudio. El grupo VI constituido por cuatro cruzas, se caracterizó por exhibir una mayor altura de planta (AP= 292 cm), reducida longitud de mazorca (LM= 17 cm) y el menor número de granos por mazorca (GM= 532), al igual que en el grupo I participan las siete poblaciones, sin embargo, muestra mayor variación morfológica inter-cruzas.

En el grupo IV se ubicaron tres cruzas, las que se diferencian por un alto número de GM (592) y valores intermedios en el P100G (55 g). Los grupos constituidos por únicamente una cruza fueron los grupos II y VII, el grupo II fue la cruza RAT × Mor, ambas poblaciones de Tamaulipas, en tanto que el grupo VII lo constituyó la cruza CAB x Mor donde la población CAB tiene origen Tamaulipas, lo cual significa que no obstante de contar con el mismo origen geográfico se demuestra que existe una gran variación genética en el germoplasma de maíz de distintas regiones de México. La mayor dispersión de la cruzas en los cuatro cuadrantes bidimensionales apoya el hecho que la variabilidad genética en maíz puede ser incrementada por medio del cruzamiento de poblaciones nativas, tanto del mismo como de distinto origen geográfico y genético, este mismo efecto se ha reportado en el estudio de caracterización morfológica con germoplasma del noroccidente de México (^{Martín et al., 2008}).

Conclusiones

Las poblaciones nativas de maíz mostraron un alto grado de variabilidad genética inter-poblacional en todas las variables evaluadas, lo cual ocasionó que las cruzas F₁ mostraron mayor varianza genética y fenotípica que las poblaciones nativas. En las poblaciones nativas y sus cruzas F₁, se identificaron cinco componentes principales de mayor importancia, los que explicaron 91.2 y 83% de la variación fenotípica total, respectivamente. La dispersión espacial de poblaciones y cruzas F₁ confirmaron el alto grado de variación fenotípica presente entre el germoplasma evaluado. El análisis de grupos reveló un alto grado de divergencia genética presente entre las poblaciones nativas, al ubicar en diferente grupo a cinco de las siete poblaciones nativas y solo en el grupo III se ubicó a las poblaciones BJM1 y RAT, provenientes de las razas Tuxpeño Norteño y Ratón. En cruzas se identificaron siete grupos, donde las cruzas RAT × MOR (C₄₇) y CAB × MOR (C₁₇) constituyeron grupos propios, revelando alta variabilidad genética entre cruzas.