Concentración de cationes en frijol común en respuesta a aluminio

Cations concentration in common bean in response to aluminum

Rodolfo Landa Contreras¹, Libia I. Trejo Téllez¹*, Fernando C. Gómez Merino¹, Bernardo Villar Sánchez² y Cecilia García Osorio¹

¹ Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo. 56230 Montecillo, estado de México. *Autor responsable: tlibia@colpos.mx.

Recibido: abril de 2008.
Aceptado: julio de 2009.

RESUMEN

En México, diversas variedades de frijol (Phaseolus vulgaris L.), son cultivadas en suelos ácidos con altos contenidos de aluminio soluble (Al³⁺), sin que haya sido evaluada su tolerancia a este elemento. En esta investigación se estudió el efecto de 3 niveles de Al³⁺ (0, 50 y 100 μM) en la solución nutritiva, sobre la concentración de los cationes potasio, calcio y magnesio (K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺) in planta, en 3 variedades mexicanas de frijol negro (Jamapa, Medellín y Grijalva). Después de 23 días de tratamiento, las plantas fueron divididas en hojas, tallos y raíces y se determinó la concentración de los cationes en estos órganos. El factor concentración de Al³⁺ afectó significativamente la concentración de los cationes en hojas, tallos y raíces. El factor variedad no mostró efecto sobre la concentración de Ca²⁺ en los órganos evaluados, mientras que la concentración de K⁺ y Mg²⁺ si mostraron diferencias estadísticas debidas al factor variedad. La interacción de los factores en estudio ocasionó diferencias estadísticas significativas en la concentración de Ca²⁺ en los 3 órganos evaluados. La presencia de Al³⁺ en la solución nutritiva redujo de manera considerable la concentración de K⁺ en tallos y raíces en las 3 variedades, siendo más evidente en la variedad Medellín. La concentración de Ca²⁺ mostró tendencia similar a la de K⁺ en presencia de Al³⁺ en las variedades Jamapa y Medellín; por el contrario, la concentración de este elemento fue incrementada en hojas de la variedad Grijalva cuando fue tratada con 100 μM de Al³⁺. El Mg²⁺ no disminuyó su concentración en tejidos por la adición de Al³⁺; contrariamente, en la variedad Grijalva su contenido en hoja en el tratamiento con 100 μM Al³⁺ superó a la del testigo en 23%. Los resultados obtenidos permiten concluir que la variedad Grijalva presentó menor susceptibilidad a Al³⁺ y la Medellín fue menos tolerante a este elemento.

Palabras clave: Phaseolus vulgaris, toxicidad por aluminio, potasio, calcio, magnesio.

SUMMARY

Keywords: Phaseolus vulgaris, aluminum toxicity, potassium, calcium, magnesium.

INTRODUCCIÓN

El aluminio (Al) es considerado uno de los factores que reduce el crecimiento y rendimiento de plantas desarrolladas en suelos ácidos con valores de pH menores a 5 (Samac y Tesfaye, 2003). Se calcula que un 40% de la superficie cultivable del planeta y aproximadamente el 70% del suelo utilizado para la producción de alimentos son suelos ácidos y, por tanto, sujetos a la toxicidad por este metal (Sumner y Noble, 2003). Poscherieder et al. (1992) establecieron que la toxicidad por aluminio (Al³⁺) reduce de manera significativa la absorción y translocación de elementos esenciales para el desarrollo de la planta, principalmente cationes como el potasio (K⁺), calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺), lo que repercute sobre el rendimiento. Liu y Luan (2001) mencionan que la inhibición de la absorción de K⁺ por presencia de Al³⁺ en Arabidopsis thaliana, es causada por un bloqueo de la superficie interna de la membrana plasmática, lo que conduce a la disminución del 50% de la absorción de este elemento cuando las plantas son tratadas con una concentración de 10 μM de Al³⁺; una concentración de 50 μM Al³⁺, la reduce en un 79%. En lo que a Ca²⁺ respecta, se ha demostrado que el ión Al³⁺ lo desplaza en lugares de unión en el citoplasma. El desplazamiento de Ca²+ y substitución de éste por Al³⁺ en la pared celular puede ser suficiente para producir alteraciones en el desarrollo normal de la célula (Schofield et al., 1998).

Se ha reportado que especies de plantas tanto monocotiledóneas como dicotilédoneas presentan diferentes concentraciones de Mg²⁺ en tejido cuando crecen en condiciones de estrés por Al³+ (Keltjens y Tan, 1993). En vástagos de avena, Grimme (1983) reportó disminución del 30% en la concentración de Mg²+ cuando las plantas fueron tratadas con aluminio, en comparación con las plantas testigo; de la misma manera, en plántulas de abeto rojo (Picea abies Karst.) se observó una fuerte inhibición en la absorción y translocación de Mg²+ cuando fueron tratadas con 1 mM de Al³⁺ en la solución nutritiva (van Praag et al., 1997). El paso inicial en la interacción Al³⁺-Mg²⁺ toma lugar probablemente en el apoplasto radical. En ausencia de Al³⁺, altas cantidades de Mg²⁺ se unen a los sitios de intercambio en las paredes corticales de la raíz, conocidos como sitios de intercambio catiónico de la raíz. Como consecuencia, la concentración de Mg²⁺ incrementa en los alrededores del lado exterior del plasmalema. Cuando existen niveles externos altos de Al³⁺, una gran parte del Mg²⁺ unido en el complejo de intercambio de la raíz es desplazado por estos iones, lo que conduce a la deficiencia de Mg²⁺ (Marschner, 1995). Además, el ión Al³+ puede interferir en procesos fisiológicos en los que participa el Mg²⁺ debido a que su similitud en radio iónico es una característica aún más importante que su diferencia en cargas dentro de reacciones biológicas (da Silva et al., 2005).

Debido a que el frijol común (Phaseolus vulgaris L.) es una de las especies más cultivadas en zonas tropicales de México con alta incidencia de suelos ácidos y toxicidad por Al³⁺, y no existen reportes sobre las respuestas de variedades mexicanas a este elemento, el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto del Al³⁺ (en 3 concentraciones, adicionadas a la solución nutritiva) sobre la concentración de K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺ en hojas, tallos y raíces de 3 variedades mexicanas de frijol negro.

MATERIALES Y MÉTODOS

Localización geográfica del área experimental

Descripción del material vegetal

El criterio de selección de las 3 variedades de frijol empleadas fue su adaptación a climas tropicales, donde de manera predominante se encuentran suelos ácidos, y en consecuencia, concentraciones tóxicas de Al³⁺ en nuestro país. Las 3 variedades seleccionadas (Jamapa, Medellín y Grijalva) son de raza mesoamericana y el color de su testa es negro.

Experimento y diseño de tratamientos

En este experimento se consideraron 2 factores de estudio: a) variedad de frijol y b) concentración de Al³⁺ en la solución nutritiva. Cada uno de estos factores fue ensayado en 3 niveles: Jamapa, Grijalva y Medellín para las variedades y 0, 50 y 100 μM para el factor concentración de aluminio, lo que generó 9 tratamientos; los tratamientos fueron distribuidos completamente al azar. Una planta fue considerada como unidad experimental, teniéndose 8 plantas por tratamiento, las cuales fueron establecidas en 2 macetas de 3 L de capacidad (4 plantas por maceta). Con los datos obtenidos se realizó un análisis de varianza usando el programa de análisis estadístico SAS (SAS, 1985), empleando el procedimiento ANOVA y una prueba de comparación de media por Tukey (P • 0.05 y P • 0.01).

Manejo del cultivo

Las semillas de las variedades de frijol fueron sembradas en charolas de plástico conteniendo aproximadamente 30 cm³ de agrolita. Las plantas fueron regadas con agua destilada hasta la aparición de las hojas cotiledonares. Los 10 días posteriores fueron regadas con la solución de Hoagland y Arnon (Hoagland y Arnon, 1950) a 1/3 de concentración.

Establecimiento de plántulas en hidroponía

Plántulas de 10 días de edad y de una altura promedio de 9 cm fueron establecidas en macetas de 3 L de capacidad, sostenidas con hule espuma en los orificios de las tapas de las macetas. A la solución nutritiva empleada (Cuadro 1), se le adicionó una mezcla de micronutrimentos (Cuadro 2), en la cual Mn, Cu y Zn fueron suministrados en forma de sulfatos; B como H₃BO₃; Fe se suministró como quelato (Fe-EDTA) según lo descrito por Steiner y van Winden (1970). Las plantas fueron mantenidas bajo estas condiciones por 5 días (fase de aclimatación), para posteriormente dar inicio con los tratamientos (adición del Al⁺³ a la solución nutritiva en cada una de las concentraciones a evaluar). El aluminio fue abastecido a las soluciones nutritivas en forma de cloruro de aluminio hexahidratado (AlCl₃ 6H₂O). El pH de las soluciones fue ajustado a 4.2 para garantizar que el Al permaneciera en su forma iónica Al³⁺. La solución nutritiva fue renovada cada 10 días, mientras que el pH se ajustó cada tercer día.

Concentración nutrimental en tejido vegetal

Después de 23 días de tratamiento, las plantas fueron divididas en hojas, tallos y raíces; posteriormente las muestras fueron secadas en una estufa de aire forzado (48 h, 65 °C). Después del secado de las muestras, éstas se molieron usando un molino tipo Wiley de acero inoxidable provisto de un tamiz malla 40. Las concentraciones de K⁺, Ca²+ y Mg²⁺ fueron determinadas mediante digestión húmeda del material seco con una mezcla de ácidos perclórico y nítrico (Alcántar y Sandoval, 1999). Posteriormente los extractos obtenidos se leyeron en un equipo de espectrometría de emisión atómica de inducción con plasma acoplado en un equipo ICP-AES VARIAN ^TM modelo Liberty II.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Concentración de Potasio

La significancia estadística de las concentraciones de K⁺ en los órganos evaluados en función de la concentración de Al³⁺ en la solución nutritiva se presenta en el Cuadro 3. El factor concentración de Al³+ ocasionó diferencias estadísticamente significativas (P • 0.05) sobre la concentración de este elemento en hojas y altamente significativas en tallos y raíces (P • 0.01). El factor variedad ocasionó únicamente diferencias estadísticas significativas en la concentración de K⁺ en tallo (P • 0.05); en este órgano la interacción de factores ocasionó diferencias estadísticas altamente significativas (P • 0.01).

En la Figura 1 también se observa que la variedad Medellín mostró mayor susceptibilidad a la presencia de aluminio. El tratamiento con 100 μM Al³⁺ redujo la concentración de K⁺ en casi 17.5% en hojas, en comparación con el testigo; en tallos dicha reducción fue de 44.7% (Figura 1a y b).

La variedad Jamapa mostró resultados similares a la variedad Medellín. La concentración de K⁺ en raíces (Figura 1c), se redujo considerablemente por la presencia de Al³⁺ en la solución nutritiva (26 y 46% para las soluciones conteniendo 50 y 100 μM Al³⁺, respectivamente). En esta variedad, los tallos de plantas tratadas con 100 μM de Al³⁺, mostraron reducción en 47% en la concentración de este catión, en comparación con los tallos de plantas testigo. En forma contraria a los resultados de tallo y raíz, la variedad Jamapa presentó la menor reducción en la concentración de K⁺ por efecto de la concentración de Al³⁺ en la solución nutritiva, siendo sólo 1.15% menor en el tratamiento de 100 μM de Al³⁺ a la concentración registrada en las plantas que no fueron tratadas con Al³⁺. Asimismo, en esta variedad la adición de 50 μM Al³⁺ incrementó la concentración de este catión en 3.47% en hojas, en comparación con el testigo.

Es importante destacar que en la variedad Grijalva la mayor concentración de Al³⁺ en la solución nutritiva incrementó ligeramente la concentración de K en raíces (1.7% mayor a la del testigo).

El potasio es el catión más abundante en la célula vegetal y presenta una alta movilidad dentro de la planta (Fox y Guerinot, 1998). Incrementos en la concentración de K⁺ en hojas y raíces por la presencia de Al³⁺, como en el caso de las variedades Jamapa y Grijalva, han sido previamente reportados en Trifolium repens L. (Lee y Pritchard, 1984), y en raíces de arroz (Tanoi et al., 2006). Estos últimos resultados permitieron concluir que la absorción de K no ocurre por procesos de difusión dentro de las células, sino por transporte activo mediado por transportadores tales como el transportador H⁺:K⁺ o por gradiente de protones (H⁺), el cual es promovido por la presencia de Al³⁺. Por el contrario, las reducciones en la concentración de K⁺ a nivel celular, son debidas según Liu y Luan (2001), a la inhibición de la entrada de este elemento causada por el bloqueo de canales de absorción de K localizados en la membrana plasmática interna (K_in) provocada por el Al³⁺, cuando éste se encuentra en el citosol.

Concentración de Calcio

El Cuadro 4 muestra la significancia estadística de los factores de estudio y la interacción de éstos sobre la concentración de Ca²⁺ en hojas, tallos y raíces de frijol. La variedad no influyó sobre la concentración de Ca²⁺ en los órganos evaluados (P > 0.05). Por el contrario, la concentración de Al³⁺ y la interacción de ésta con el factor variedad ocasionó diferencias altamente significativas (P • 0.01) en la concentración de Ca²+ en hojas, tallos y raíces.

El Ca se encuentra en tejido foliar en concentraciones menores a las del K, las cuales oscilan entre 0.1 y 2% de la materia seca (Fox y Guerinot, 1998). En el caso particular de las variedades de frijol evaluadas en esta investigación, los contenidos promedio registrados de este nutrimento en el testigo fueron de 22.5 g kg^-1 tanto para hojas como para tallos, y 6 g kg^-1 para raíces (Figura 2).

Entre variedades se observan efectos distintos causados por la presencia de Al³⁺ sobre la concentración de Ca²⁺. Es evidente por un lado, la disminución de la concentración de Ca en las variedades Jamapa y Medellín al ser tratadas con Al (Figura 2), respuesta debida a los trastornos ocasionados por el bloqueo de canales en la membrana externa de la célula causados por el Al³⁺; se argumenta también que el Al es capaz de bloquear los canales ubicados en la membrana interna (Rout et al., 2001). Jones et al. (1998) reportaron que la concentración de Ca en el citosol disminuyó significativamente en células de tabaco después de ser tratadas con Al. Además, se ha reportado que plantas en presencia de Al³⁺ presentan menor concentración de Ca que aquellas deficientes en este nutrimento (Rengel y Elliot, 1992). En forma contraria a las reducciones en la concentración de Ca²⁺ como consecuencia del tratamiento con Al³⁺ anteriormente mencionadas, en la variedad Grijalva el tratamiento con 100 μM de Al³⁺ incrementó la concentración de este catión en hojas y tallos; lo que conduce a afirmar la existencia de mecanismos intrínsecos de cada variedad para recuperarse del estrés por Al, como lo indican Watanabe y Okada (2005), quienes demostraron que la tolerancia no solo a Al, sino también a estroncio (Sr) y bario (Ba) en arroz, exhibe amplias diferencias entre cultivares. Los mecanismos de tolerancia a Al que hasta ahora han sido documentados en plantas son muy variados. Existen evidencias experimentales que indican que plantas monocotiledóneas y varias especies de plantas dicotiledóneas excluyen la entrada de A¹³⁺ a las células de la raíz a través de la exudación de ácidos orgánicos como citrato, malato y oxalato, los cuales inmovilizan al Al³⁺ en la superficie de la raíz formando complejos estables no tóxicos con éste (Delhaize et al., 1993; Kollmeier et al., 2001, Liu et al., 2007). Kochian et al. (2004) afirman que algunas especies de plantas poseen canales selectivos de cationes que no permiten la entrada de Al a la célula o bien que impiden el transporte de este elemento a la parte aérea; en consecuencia, en estas plantas no se inhibe la absorción de cationes.

Concentración de Magnesio

La Figura 3 presenta los resultados obtenidos de concentración de Mg²⁺ en hojas, tallos y raíces de 3 variedades de frijol tratadas con niveles distintos de Al³⁺. Las concentraciones de Mg reportadas por Tûma et al. (2004) en tejido foliar de frijol es de 6.4 g kg¹ y en tallo de 4.2 g kg^-1. Estos resultados coinciden sólo con los encontrados en hojas en esta investigación, con una concentración promedio (considerando las 3 variedades) en el tratamiento sin aluminio de 6.2 g kg^-1. En el caso de tallo, la concentración de Mg²⁺ registrada en este experimento fue similar a la de hojas (6.2 g kg^-1), y por lo tanto superior a la reportada por Tûma et al. (2004). Las concentraciones de este nutrimento fueron menores a las registradas para K⁺ y Ca²⁺.

Las variedades evaluadas mostraron respuestas diferenciales a la presencia de Al³⁺, si se considera la concentración de Mg²⁺. En las variedades Grijalva y Medellín, se registraron incrementos en la concentración de este catión en hojas, cuando las plantas fueron tratadas con 100 μM Al³⁺, éstos son del orden del 23.4 y 19.8%, respectivamente, en comparación con el testigo; por el contrario, la variedad Jamapa, redujo en el mismo tratamiento la concentración de este elemento en hojas en casi 31.5%.

La variedad Grijalva mostró una baja reducción en la concentración de Mg²⁺ en el tallo cuando fue tratada con 50 μM de Al³⁺ (13.1% menor a la concentración registrada en las plantas testigo), y con la mayor concentración de Al³⁺ (100 μM), la concentración de este catión fue superior en 26% a la de los tallos de plantas que no fueron tratadas con aluminio.

En raíces la presencia de aluminio, independientemente de su concentración, disminuyó la concentración de Mg²⁺; en el tratamiento con la mayor concentración de Al³⁺ evaluada la concentración de Mg²⁺ fue menor en 55, 21 y 24.8% en comparación con el testigo en las variedades Grijalva, Jamapa y Medellín, respectivamente.

Estos resultados permiten aseverar que las concentraciones de Mg²⁺ mostradas en hoja presentan una relación inversa con las concentraciones en raíces cuando las plantas fueron tratadas con la mayor concentración de Al³⁺; lo anterior, conduce a afirmar que la translocación de este elemento a hojas no fue afectada por la presencia de Al³⁺. En este sentido, se ha propuesto que el magnesio y el calcio son cationes que se encuentran involucrados en la reducción de la actividad del aluminio a nivel de la membrana plasmática o bien en la reducción de la competencia por los sitios de unión en el apoplasma radial (Kinraide, 1998). Específicamente en soya, Silva et al. (2001) demostraron que bajas concentraciones de magnesio (intervalos micromolares) fueron altamente efectivas en disminuir los efectos tóxicos del aluminio; no obstante, estos resultados no pudieron ser explicados por cambios en el potencial y en la actividad del Al³⁺ a nivel de la superficie de la membrana plasmática de la raíz como lo indica el modelo de Gouy-Chapman-Stern, lo que sugiere que el Mg²⁺ no actúa como un catión indiferente cuando es adicionado a bajas concentraciones, y supone la existencia de un mecanismo que va más allá de efectos estrictamente electrostáticos en la superficie de la raíz. Por otro lado, en presencia de complejos orgánicos de Al³⁺, existe menos Mg²⁺ remplazado de los sitios de unión en el apoplasto y en consecuencia la asimilación del Mg²⁺ es inhibida en menor grado (Kochian et al., 2004). Yang et al. (2007) han demostrado que el Mg aún en concentraciones bajas (10 μM), favorece el eflujo de citrato inducido por la presencia de aluminio en raíces de Vigna μMbellata ([Thunb.] Ohwi & Ohashi). Estos mecanismos incluyen la expresión diferencial de genes que codifican proteínas que regulan la entrada y el transporte de Al³⁺ en la célula vegetal (Kochian et al., 2004), lo cual debería ser explorado en próximas investigaciones con frijol, especie que ha sido clasificada como muy sensible a bajos valores de pH y con una amplia gama de diferencias genotípicas en lo que a sensibilidad a protones respecta (Rangel et al., 2005).

El análisis de los resultados aquí observados lleva a recomendar la realización de nuevos estudios, en los cuales se cambien las concentraciones de Ca y Mg en el medio de crecimiento para evaluar el efecto real que estos cationes tienen en la inactivación de los iones Al³⁺. Adicionalmente, se sugiere la identificación de mecanismos de tolerancia a Al³⁺ como exudación de ácidos orgánicos, acumulación de Al³⁺ en raíces, y las relaciones de acumulación de Al³⁺ y cationes (Al³⁺/ (K⁺ + Ca²⁺ + Mg²⁺)), entre otros, los cuales deben ser evaluados en la variedad Grijalva con concentraciones de Al³⁺ mayores a 100 μM en soluciones nutritivas con menor fuerza iónica, lo que además permitirá definir si los mecanismos de tolerancia a Al³⁺ son ocasionados por factores genéticos o por procesos celulares.

CONCLUSIONES

- Los factores variedad, concentración de aluminio (Al³⁺) y sus interacciones afectaron la concentración de cationes en hojas, tallos y raíces de frijol. El Al³⁺ modificó significativamente la concentración de potasio (K⁺) en hojas, y de manera altamente significativa la concentración de este catión en tallos y raíces. Sin embargo, el factor variedad sólo afectó la concentración de K⁺ en tallo. La interacción de ambos factores fue significativa únicamente para la concentración de K⁺ en tallos.

AGRADECIMIENTO

Los autores agradecen al Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) por haber facilitado las variedades de frijol evaluadas y a la Línea Prioritaria de Investigación No. 5 Biotecnología Microbiana, Vegetal y Animal del Colegio de Postgraduados por las facilidades de equipo brindadas para la realización de este trabajo.

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