Reflectancia foliar, crecimiento y respuestas fisiológicas de maíz y tomate a un abrillantador óptico

Foliar reflectance, growth and physiological responses of maize and tomato to an optical brightener

Sandra P. Velasco,^1,2 Samuel Pineda,¹ Aricely Méndez,^1,2 Ma. Luisa España,¹ Raúl Cárdenas–Navarro,¹ Jeannette S. Bayuelo–Jiménez,¹ Javier Valle³, José I. Figueroa, Philippe Lobit¹ y Ana M. Martínez Castillo^1*

¹ Instituto de Investigaciones Agropecuarias y Forestales, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Km. 9.5 Carretera Morelia–Zinapécuaro. 58880 Morelia, Michoacán, México. Tel. y Fax 01 (443) 2 95 83 23. * Autor para correspondencia (amabel_66@hotmail.com).

³ Colegio de la Frontera Sur (ECOSUR). Apdo. Postal 36. Km. 2.5 carretera antiguo aeropuerto. 30700 Tapachula, Chiapas, México.

Recibido: 13 de Octubre del 2008.
Aceptado: 03 de Diciembre del 2009.

Resumen

Se evaluó el efecto del abrillantador óptico Tinopal® C1101 (derivado del etenedil bencenosulfónico) a 1 y 3 % (p/v) sobre la reflectancia foliar, crecimiento, fotosíntesis y conductancia estomática de dos cultivos agrícolas, maíz (Zea mays L.) y tomate (Solanum lycopersicum L.). La aplicación del abrillantador óptico sobre las hojas de maíz y tomate incrementó el porcentaje de reflectancia en un intervalo de 1.5 a 2.5 y de 1.6 a 1.9 veces, respectivamente, en las longitudes de onda correspondientes al espectro de absorción de las clorofilas a y b. Su aplicación continua a 1 y 3 % sobre plantas de maíz en condiciones de invernadero, afectó la altura de planta, área foliar y peso seco (P ≤ 0.05). En contraste, tales tratamientos no afectaron el crecimiento de las plantas de tomate. La aplicación del abrillantador a 1 y 3 % no afectó la tasa de asimilación de CO₂ ni la conductancia estomática de maíz y tomate. Estos resultados indican que el efecto de este abrillantador óptico sobre el crecimiento de las plantas puede estar relacionado con diferencias estructurales o fisiológicas de las mismas.

Palabras clave: Zea mays, Solanum lycopersicum, abrillantadores ópticos, bioinsecticidas, crecimiento, fotosíntesis.

The effects of the optical brightener Tinopal® C1101 (an ethenediyl benzenesulfonic derivative) at 1 and 3 % (w/v) on the reflectance, growth, photosynthesis and stomatal conductance of two crops, maize (Zea mays L.) and tomato (Solanum lycopersicum L.), were evaluated. Application of the optical brightener increased reflectance on maize and tomato leaf surfaces ranging from 1.5 to 2.5 and 1.6 to 1.9 fold, respectively, in the wavelength regions corresponding to the absorption spectra of chlorophylls a and b. Continuous application of Tinopal® C1101 1 and 3 % on maize plants under greenhouse conditions, affected plant height, leaf area and dry weight (P ≤ 0.05). In contrast, such treatments did not affect growth of tomato plants. The application of this brightener did not affect the photosynthetic rate nor stomatal conductance of maize and tomato. These results showed that the effects of this optical brightener on plant growth could be related with structural or physiological differences among plant species.

Key words: Zea mays, Solanum lycopersicum, optical brighteners, bioinsecticides, plant growth, photosynthesis.

INTRODUCCIÓN

Los baculovirus son un grupo de virus patógenos específicos para artrópodos, que en la actualidad se utilizan como bioinsecticidas en varios países del mundo (Szewezyk et al., 2006). No obstante, la radiación ultravioleta (UV) solar afecta la capacidad infectiva de las partículas virales y disminuye la eficacia de estos bioinsecticidas (Copping y Menn, 2000). Esto ha motivado la realización de estudios dirigidos a la identificación de sustancias que, incorporadas en los formulados bioinsecticidas, permitan incrementar su efectividad y persistencia en condiciones de campo (Martínez et al., 2005; Lasa et al., 2007). Al respecto, se han descrito los efectos de abrillantadores ópticos en las formulaciones de baculovirus (Shapiro, 1992; Okuno et al., 2003), los cuales son productos ampliamente utilizados en la elaboración de detergentes, plásticos y papel. Pertenecen a varios grupos químicos (ej., distirilbifenilo, estirilbenceno, oxaleno y estilbeno) que se caracterizan por absorber la luz UV y transmitirla en el espectro de luz visible (Argauer y Shapiro, 1997).

Los abrillantadores ópticos pueden proporcionar niveles altos de protección a los baculovirus expuestos a la radiación UV en condiciones de laboratorio o campo. Además, ciertos abrillantadores ópticos, como Tinopal LPW® (Sigma, St. Louis, MO, USA) (derivado del estilbeno), pueden incrementar la infectividad de estos patógenos contra sus huéspedes, particularmente en estadios tardíos (Shapiro y Argauer, 2001; Murillo et al., 2003; Martínez et al., 2003), y así incrementar los niveles de control de plagas (Lasa et al., 2007). Los abrillantadores ópticos se patentaron bajo la premisa de incrementar la posibilidad de éxito de diferentes microorganismos utilizados en el control biológico de insectos plaga (Shapiro et al., 1992). Sin embargo, existen pocos estudios en donde se haya evaluado el impacto de estos compuestos sobre el desarrollo de las plantas cultivadas. Un estudio bajo condiciones de invernadero mostró que aplicaciones foliares del Tinopal® CBS (derivado del diestiril bifenil) a 1 y 5 % redujeron el desarrollo de plantas de maíz (Zea mays L.) y trigo (Triticum aestivum L.) en cerca de 25 y 30 a 40 %, respectivamente (Goulson et al., 2003). Adicionalmente, los autores observaron que las aplicaciones de Tinopal® CBS incrementaron la reflectancia foliar, particularmente en la región 420–470 nm, lo cual quizás alteró el comportamiento de insectos polinizadores como Bombus spp. (Hymenoptera: Apidae) (Goulson et al., 2000).

El objetivo del presente estudio fue evaluar el efecto del abrillantador óptico Tinopal® C1101 (etenedil benceno–sulfónico) a 1 y 3 % sobre la reflectancia foliar, crecimiento, fotosíntesis y conductancia estomática de dos cultivos de importancia agrícola. Dicho compuesto fue seleccionado debido a su potencial como fotoprotector de un formulado de baculovirus para el control de Spodoptera frugipera (J. E. Smith) (Lepidoptera: Noctuidae), la plaga más importante del maíz en México (Mondragón et al., 2007).

MATERIALES Y MÉTODOS

Reflectancia de la superficie foliar

Se determinó en tres hojas completamente expandidas seleccionadas al azar tanto en maíz como en tomate, que se sumergieron en una de las siguientes soluciones: i) Tinopal® C1101 a 1 % + 0.1 g L^–1 del tensoactivo aniónico sodio dodecil sulfato (SDS); ii) Tinopal® C1101 a 3 % + 0.1 g L^–1 de SDS; y iii) 0.1 g L^–1 de SDS a 0.01 % (testigo). Todas las soluciones se prepararon con agua destilada. En maíz se utilizó un fragmento de ~ 4 cm de longitud de cada hoja. Se hicieron tres repeticiones por cada concentración. Posterior a la aplicación del tratamiento, las hojas se dejaron secar a temperatura ambiente durante 15 min. El espectro de reflectancia de cada hoja (tomate) o fragmento de hoja (maíz) se midió con un espectrofotómetro Perkin Elmer® Lambda 35 UV/Vis Systems (Shelton, CT, USA) con esfera de integración con un intervalo de longitud de onda de 200 a 1100 nm, donde la reflectancia se midió en tres posiciones diferentes.

Para examinar el porcentaje de reflectancia de las plantas de maíz y tomate expuestas a la radiación solar, ambas especies se asperjaron (con aspersor manual) con una solución que contenía Tinopal® C110 a 3 % o únicamente SDS como testigo. Para cada tratamiento se utilizaron seis plantas, mismas que fueron agrupadas para incrementar la cobertura foliar (Pellat et al., 2005). La aspersión de los tratamientos se hizo dentro del invernadero y, una vez que las soluciones se secaron, las plantas se transportaron cuidadosamente al exterior para ser expuestas a la luz solar. La reflectancia foliar se midió con un espectrofotómetro de campo (FieldSpec Pro®, Analytical Spectral Devices, Boulder, CO, USA) con un intervalo de longitud de onda de 350 a 800 nm. El espectro se midió en diez posiciones diferentes sobre cada grupo de plantas. Los valores de la reflectancia se calibraron en un panel de reflectancia Spectralon®. Las medidas se tomaron a las 2, 72 y 168 h posteriores a la aplicación de los tratamientos entre las 09:00 y 12:00 h. Después de cada medición las plantas se regresaron al invernadero.

Efecto del Tinopal® C1101 sobre el crecimiento y características fisiológicas del maíz y tomate

Se utilizaron plantas de maíz y tomate de 19 y 30 d posteriores al trasplante, respectivamente. Las plantas se asperjaron con un aspersor manual que contenía una de las siguientes soluciones: Tinopal® C1101 a 1 y 3 % + 0.1 g L^–1 de SDS, o únicamente SDS como testigo. Para cada tratamiento se utilizaron tres repeticiones de cinco plantas por especie, y las aspersiones se aplicaron una vez por semana durante cuatro semanas (Goulson et al., 2003). La posición de los tratamientos fue al azar en un área de 64 m². Un día antes de cada aplicación se tomaron datos de altura y número de hojas. Posterior a la última evaluación, todas las plantas se cortaron desde su base para medir área foliar y peso seco total; para área foliar, todas las hojas de cada planta se cortaron y colocaron en un medidor de área foliar L1–3100® (LI–COR, Inc., USA). Para determinar el peso seco, las hojas y el tallo de cada planta se introdujeron en bolsas de papel aluminio y se colocaron en una estufa a 80 °C durante 2 d. Todas las muestras se pesaron en una balanza digital (Denver XP–3000®, USA).

La tasa de asimilación de CO₂ y la conductancia estomática en condiciones de invernadero, se midieron en plantas de maíz y tomate de 47 y 60 d después del trasplante, respectivamente. Estas plantas se asperjaron con la misma técnica y soluciones mencionadas anteriormente, a las 06:00 h. Tres horas después de la aplicación, se hicieron las mediciones sobre una hoja completamente expandida por planta, con un medidor de fotosíntesis portátil LI–6400® (LICOR, Inc., USA). Cada medición se repitió cinco veces con hojas de edad similar procedentes de plantas diferentes. La tasa neta de fotosíntesis se midió a una presión parcial externa de CO₂ de 34 MPa (340 µmol CO₂ mol^–1 aire) y un déficit de presión de vapor del aire de 4.4 KPa. La densidad de flujo fotónico fue de 1400 y 2000 µmol m^–2 s^–1 para tomate y maíz, respectivamente, la cual se reguló artificialmente. Todas las mediciones se llevaron a cabo entre las 09:00 y 13:00 h en un día soleado.

Análisis de los datos

Los valores medios del porcentaje de reflectancia (procedentes del espectrofotómetro de laboratorio), peso seco, área foliar y fotosíntesis, fueron comparados entre tratamientos mediante un análisis de varianza. La comparación de medias se hizo con la prueba de diferencia mínima significativa (DMS, P < 0.05) con el programa SPSS 12.0 (SPSS, Chicago, IL, USA). El porcentaje de reflectancia fue analizado sólo con los datos obtenidos de los picos correspondientes al espectro de absorción de las clorofilas a (430 y 660 nm) y b (460 y 640 nm) (Nobel, 1999). El espectro de reflectancia de las medidas obtenidas del espectrofotómetro de campo (Figuras 1 y 2) se expresó como reflectancia relativa, la cual se define como el cociente del porcentaje de reflectancia de las plantas tratadas con el Tinopal® C1101 a 3 % y las no tratadas (Blackmer et al., 1996).

La separación de las medias de reflectancia se hizo mediante la prueba t de Student. La altura y número de hojas por planta se analizaron a través de modelos mixtos, en donde las especies y dosis se consideraron efectos fijos. La correlación entre las observaciones por cada planta a través del tiempo fue establecida por la correlación Toeplitz. La diferencia significativa entre tratamientos fue determinada mediante contrastes ortogonales. Estos últimos análisis se llevaron a cabo en el programa estadístico SAS (Statistical Analysys System., Inc., Cary, NC, USA).

RESULTADOS

Reflectancia de la superficie foliar

El porcentaje de reflectancia foliar de las hojas de maíz se incrementó (P ≤ 0.01) en un intervalo de 1.5–2.5 veces por la aplicación del Tinopal® C1101 a 1 y 3% en todas las longitudes de onda analizadas, en comparación con el testigo (Cuadro 1). En tomate, dicho incremento sólo fue significativo (P ≤ 0.01) en la concentración más alta (3 %), en un intervalo de 1.6–1.9 veces, y la concentración a 1 % a una longitud de onda de 430 nm.

En las plantas de maíz tratadas con Tinopal® C1101 a 3 %, tal incremento del porcentaje de reflectancia foliar comparado con el testigo solamente ocurrió a las 72 h posteriores a la aplicación (Figura 1), mientras que a las 168 h hubo una disminución (P ≤ 0.02) del porcentaje de reflectancia en longitud de onda de 640 nm. En contraste, la aplicación del Tinopal® C1101 a 3 % sobre las plantas de tomate provocó un incremento (P ≤ 0.01) de la reflectancia en un intervalo de 1.18–1.64 veces en todas las longitudes de onda y en los tres periodos de tiempo analizados (2, 72 y 168 h) en comparación con el testigo (Figura 2).

Efecto del Tinopal® C1101 sobre el crecimiento y otras características fisiológicas del maíz y tomate

En las dos especies evaluadas, la altura de planta (F_4,176 = 294.2, P < 0.0001) y número de hojas (F_4,176 = 234.3, P < 0.0001) se incrementaron durante el curso del experimento. En relación con el desarrollo de las mismas, se observó que las plantas de maíz tratadas con el abrillantador fueron más pequeñas (P ≤ 0.05) a partir de la segunda semana de aplicado el tratamiento, en proporciones 14.4 a 16.4 % y de 15.7 a 23.5 % para las dosis de 1 y 3 %, respectivamente, comparadas con el testigo (Figura 3a). Las plantas de maíz también mostraron una tendencia a disminuir su número de hojas por efecto del abrillantador, pero el efecto no fue significativo comparado con el testigo (F2,87 = 1.67, P = 0.194) (Figura 3b). En cuanto al peso de las plantas de maíz, el abrillantador óptico causó una reducción de 49 y 31 % para las concentraciones 1 y 3 %, respectivamente, comparado con el testigo (8.6 g) (Cuadro 2). En el área foliar también se registraron reducciones de 36 y 54 % cuando las plantas se trataron con el abrillantador a 1 y 3 %, respectivamente, comparado con el testigo (568.8 cm²). La aplicación del Tinopal® C1101 al no afectó significativamente la tasa de asimilación de CO₂ ni la conductancia estomática del maíz, comparadas con el testigo.

Los resultados obtenidos en las plantas de tomate indicaron que el Tinopal® C1101 a 1 y 3 % no afectó (P ≤ 0.05) la altura de planta y número de hojas durante curso del experimento (Cuadro 2). Los promedios de altura fluctuaron de 71.9 ± 4.1 a 216.4 ± 6.6 mm para las plantas tratadas con el abrillantador, y de 76.2 ± 7.9 a 194.5 ± 8.1 mm para las plantas testigo. El número de hojas fluctuó de 5.3 ± 0.37 a 10.1 ± 0.63 hojas en las plantas tratadas con el abrillantador y de 5.3 ± 0.31 a 9.1 ± 0.51 hojas en las plantas testigo. Tampoco hubo diferencias significativas en área foliar, peso seco, tasa de asimilación de CO₂ y conductancia estomática, en comparación con el testigo.

DISCUSIÓN

El espectro de reflectancia foliar puede depender de la morfología de la planta, la concentración de pigmentos, la estructura celular y el contenido de agua (Pellat et al., 2005), aunque los niveles de reflectancia de la luz visible son generalmente bajos, cercanos a 6–10 % de la luz incidente (Tang, 1997), lo cual es congruente con los niveles obtenidos en este estudio en las hojas testigo de maíz (6.3–7.4 %) y tomate (5.1–6.3 %), como se mostró en el Cuadro 1. La luz visible es indispensable para la regulación de la fotosíntesis y el movimiento de los estomas (Tang, 1997). Las clorofilas a y b son responsables de la absorción de la luz para la fotosíntesis y se encuentran en todas las plantas superiores (Nobel, 1999); por tanto, un incremento en la reflectancia de la luz en los picos de absorción de ambos pigmentos, provocado por los abrillantadores ópticos, podría tener un efecto negativo en la cantidad de luz disponible para dicho proceso.

Una interrogante planteada en este estudio fue determinar si las aplicaciones del abrillantador óptico Tinopal® C1101 sobre las hojas alterarían la tasa de asimilación de CO₂ y la conductancia estomática. Los resultados mostraron que una aplicación del compuesto no afectó a las especies aquí evaluadas. No obstante, se observaron efectos negativos en el crecimiento de las plantas de maíz continuamente expuestas al Tinopal® C1101, pero no a las plantas de tomate. Estos resultados coinciden con los estudios de Lasa et al. (2007) quienes determinaron que la aplicación de tres concentraciones (0.1, 1.0 y 5.0 %) del abrillantador Leucophor AP (un derivado del estilbeno disulfonato), no afectó adversamente el desarrollo del pimiento (Capsicum annum L.) durante un periodo de 14 d. Goulson et al. (2003) observaron que el Tinopal® CBS a 1 y 5 % redujo la tasa de desarrollo de dos especies monocotiledóneas, maíz y cebada (Hordeum vulgare L.) en un rango de 25 a 40 %, pero no afectó el de especies dicotiledóneas, tales como col (Brassica oleracea L.) y haba (Vicia faba L.).

Lo anterior indica que el efecto de los abrillantadores ópticos sobre el desarrollo de las plantas puede estar determinado mayoritariamente por diferencias entre especies, como los patrones de desarrollo, la arquitectura o las propiedades químicas (Goulson et al., 2003), más que por diferencias estructurales entre los compuestos. Al respecto, es altamente probable que en plantas con hojas orientadas verticalmente, como las de maíz, las continuas aplicaciones de abrillantadores ópticos incrementarían la reflectancia de ambos lados de la hoja y así afectarían más la cantidad de luz utilizada para la fotosíntesis, en comparación con plantas de hojas orientadas horizontalmente como están en varias especies dicotiledóneas. Estos resultados pueden también reflejar diferentes respuestas a la intensidad de la luz en función del mecanismo fotosintético. En plantas tipo C4 como maíz, la tasa fotosintética se incrementa con la intensidad luminosa y no muestran un punto de saturación por luz (Usuda, 1987), mientras que en plantas C3 como tomate, ocurre saturación por luz entre 1200 y 1400 µmol m^–2 s^–1 (Ayari et al., 2000). Por tanto, una disminución en la intensidad de la luz provocada por los abrillantadores ópticos podría reducir drásticamente la tasa fotosintética en plantas C4 comparadas con plantas C₃.

Nótese que la tasa de asimilación de CO₂ y conductancia estomática medidas en este estudio fueron menores que las observadas por Melkonian et al. (2004) y Ying et al. 2002) para maíz [0.15 mol m^–2 s^–1 (conductancia estomática) y 43.2 µmol CO₂ m² s^–1 (fotosíntesis), respectivamente] y Bradford et al. (1983) para tomate [0.37–0.91 mol m^–2 s^–1 (conductancia estomática) y 21–24 µmol CO₂ m² s^–1 (fotosíntesis)]. Tales diferencias podrían estar relacionadas con la edad de las plantas o las condiciones de luz utilizadas.

Se ha demostrado que algunos abrillantadores ópticos pueden ser altamente persistentes en el ambiente (Webb et al., 1994). Aunque en el presente estudio los residuos del Tinopal® C1101 a 3% no fueron medidos, el incremento de la reflectancia detectado en las plantas de tomate a las 168 h después de la aplicación sugiere la presencia de este compuesto sobre la superficie foliar. En maíz, el incremento de la reflectancia sólo se detectó hasta 72 h después de la aplicación. Las posibles diferencias en persistencia podrían reflejar una variación en las características químicas o físicas, como recubrimiento con ceras y pubescencia de las plantas sobre las cuales se aplicaron los abrillantadores ópticos (Vail et al., 1999).

En este estudio se observó que a las 72 y 168 h posteriores a la aplicación, las hojas de maíz estuvieron más abiertas, comparadas con las plantas analizadas a las 2 h, lo cual pudo incrementar su exposición a la radiación solar y como consecuencia su reflectancia. Aún así, a las 168 h no se observaron diferencias entre las plantas tratadas con el abrillantador óptico y las del testigo, en tres (430, 460 y 660 nm) de las cuatro longitudes de onda evaluadas. Esto sugiere que la tasa de desarrollo causó una dilución de los residuos sobre las hojas, o que la presencia de hojas nuevas no tratadas influyó en los niveles de reflectancia.

Puesto que cualquier efecto negativo de los abrillantadores ópticos sobre las plantas cultivadas es indeseable para su producción, se recomienda que previo a la utilización masiva de los abrillantadores ópticos en condiciones de campo, se lleven a cabo estudios dirigidos a la evaluación de su impacto ambiental.

CONCLUSIONES

AGRADECIMIENTOS

Al Programa de Mejoramiento del Profesorado–SEP (PROMEP–PTC–110) y a la Coordinación de la Investigación Científica (Proyecto 6.17) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

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