Concentración de micronutrimentos y crecimiento de raíz en variedades de arroz expuestas a aluminio

Micronutrient concentration and root growth in rice varieties exposed to aluminum

Fernando C. Gómez-Merino¹*, Libia I. Trejo-Téllez² y Tania Marín-Garza²

¹ Campus Córdoba, Colegio de Postgraduados. Km 348 Carretera Córdoba-Veracruz, Congregación Manuel León. 94946, Amatlán de los Reyes, Veracruz, México. *Autor para correspondencia (fernandg@colpos.mx).

² Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. Km 36.5 Carretera México-Texcoco, Montecillo. 56230, Texcoco, Estado de México, México.

Recibido: 23 de Enero del 2014
Aceptado: 5 de Agosto del 2014

RESUMEN

El aluminio (Al³+) es uno de los mayores factores limitantes de la producción agrícola en suelos ácidos con pH menor a 5 en las regiones tropicales del mundo. El arroz (Oryza sativa L.) ha mostrado ser tolerante a este factor de estrés, con respuestas diferenciales entre genotipos. Se evaluó el efecto de tres niveles de Al (0, 200 y 400 μM AlCl₃ 6H₂O) en la solución nutritiva sobre la concentración foliar de micronutrimentos (Cu, Fe, Mn y Zn) y longitud de raíz en cuatro genotipos de arroz ('Huimanguillo', 'Koshihikari', 'Temporalero' y 'Tres Ríos'), en condiciones de invernadero, en un experimento factorial. La interacción de los factores evaluados (variedad x concentración de Al) mostró efectos significativos en la concentración de los cuatro nutrimentos y en la longitud de raíz. En general, a medida que se aumentó la concentración de Al en la solución nutritiva, hubo un aumentó en las concentraciones de Cu y Fe en todas las variedades, mientras que las concentraciones de Mn y Zn disminuyeron. La mayor disminución de las concentraciones nutrimentales se observó en las variedades 'Huimanguillo', 'Koshihikari' y 'Tres Ríos', en tanto que la variedad 'Temporalero' resultó menos afectada. Respecto a la longitud de raíz, los mayores niveles de Al en solución redujeron significativamente a esta variable, y las variedades más afectadas fueron 'Temporalero' y 'Tres Ríos'. Se concluye que el Al afecta diferencialmente los genotipos de arroz evaluados, y que este metal muestra sinergismo con Cu y Fe, y antagonismo con Mn y Zn.

Palabras clave: Oryza sativa, cobre, hierro, manganeso, zinc.

ABSTRACT

Aluminum (Al³+) is one of the most limiting factors of agricultural production in acid soils with pH lower than 5 in tropical regions worldwide. Rice (Oryza sativa L.) has showed to be tolerant to this stress factor, and differences in tolerance responses to Al have been observed among genotypes. We evaluated the effect of three Al concentrations (0, 200 and 400 μM AlCl₃ 6H₂O) in the nutrient solution on the foliar concentration of micronutrients (Cu, Fe, Mn y Zn) and root length in four rice genotypes ('Huimanguillo', 'Koshihikari', 'Temporalero' and 'Tres Ríos') grown under greenhouse conditions, in a factorial experiment. Interaction between factors evaluated (variety x Al concentration) showed significant effects on the concentrations of the four micronutrients evaluated and on root length as well. In general, as Al concentration was raised in the nutrient solution, an increase of the Cu and Fe concentrations was evident in the four varieties, while Mn and Zn concentrations diminished. The highest reduction on micronutrient concentration was observed in the varieties 'Huimanguillo', 'Koshihikari' and 'Tres Ríos', whereas the variety 'Temporalero' was less affected. Concerning root length, the highest levels of Al in the nutrient solution significantly caused a reduction in this variable, and the varieties most affected were 'Temporalero' and 'Tres Ríos'. We conclude that Al differentially affects the rice genotypes evaluated, and that this metal shows diminished to Cu and Fe, and antagonism to Mn and Zn.

INTRODUCCIÓN

En México, la toxicidad por aluminio (Al) es una de las mayores limitantes para la producción agrícola en suelos ácidos tropicales con pH menor a 5, y se estima que este problema afecta a más de 14 millones de hectáreas distribuidas principalmente en el sureste del país (Marín-Garza et al., 2010).

La forma iónica Al³+ se considera tóxica para la rizosfera, definida ésta como la capa de suelo que es afectada por el metabolismo radical (Berg et al., 2005). Por su parte, las formas de hidróxido de Al [Al(OH)²+, Al(OH)₂+ y Al(OH)₄^-], presentes en la solución entre 5 y 6.2 de pH, han mostrado no ser tóxicas para las plantas (Trejo-Téllez y Gómez-Merino, 2007).

Los efectos tóxicos del Al³+ se relacionan con una rápida inhibición del crecimiento radical al acumularse en el apoplasto, la membrana plasmática y eventualmente en el citosol (Vardar y Ünal, 2007). Producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), desbalance nutrimental, acumulación de calosa y pérdida de la homeostasis del calcio (Ca²+) citosólico, son algunos de los efectos tóxicos del Al³+ una vez introducido en la célula (Silva, 2012).

La exudación de malato, de fosfato o ambos en raíces de arroz, puede funcionar como un mecanismo novedoso para quelatar Al³+ en el apoplasto de las células del ápice radical. La función primaria de los exudados radicales como mecanismo de tolerancia a Al es la exclusión del metal del ápice radical, pero esto no explica los altos niveles de tolerancia a Al observados en arroz (Oryza sativa L.). La evidencia más clara de este hecho es que la expresión ectópica del gen de tolerancia a Al ALMT1 de trigo (Triticum aestivum L.) en arroz, induce la exudación de malato pero no modifica la tolerancia a Al (Sasaki et al., 2004).

Sin embargo, cuando el gen ALMT1 es introducido en el genoma de cebada (Hordeum vulgare L.), una especie susceptible a Al, se observa incremento de la tolerancia a este metal en más de 100 % en comparación con plantas testigo no transformadas. Además, se han identificado loci de características cuantitativas (QTL) de tolerancia a Al muy cercanos a genes homólogos al gen ALMT1, lo que permite suponer que este conjunto de genes dan la mayor tolerancia a Al en arroz. Dado que la mayor parte del Al se acumula en el apoplasto en células radicales, la pared celular juega un papel determinante en la tolerancia a este metal observada en arroz, posiblemente a través de polisacáridos estructurales (Famoso et al., 2010).

En arroz, la tolerancia a Al varía entre genotipos. En general, los cultivares más tolerantes son de la subespecie japonica, en tanto que los de indica son más susceptibles al aluminio en solución (Watanabe y Okada, 2005). Marín-Garza et al. (2010) mostraron que los cultivares 'Temporalero, 'Huimanguillo', 'Tres Ríos' y 'Koshihikari' dieron respuestas diferenciales al aluminio en la solución nutritiva, y el cultivar 'Tres Ríos' fue el más tolerante a Al porque no mostró daños en sus tejidos radicales y logró acumular menores niveles de Al y mayores niveles de Mg y P en hoja.

Los estudios del efecto de Al en la nutrición de cultivos, se han realizado principalmente en macronutrimentos, en especial P, K, Ca y Mg. Por tanto, en la presente investigación se estudió el efecto que ejerce la presencia de Al en la solución nutritiva en la acumulación de los micronutrimentos Cu, Fe, Mn y Zn, y en el crecimiento radical en los cultivares de arroz 'Temporalero', 'Huimanguillo', 'Tres Ríos' y 'Koshihikari'.

MATERIALES Y MÉTODOS

Condiciones de estudio

La investigación se hizo en un invernadero tipo cenital de estructura metálica y plástico calibre 600 (transmitancia luminosa de 50 %) ubicado en Montecillo, Texcoco, Estado de México (a 19° 20' N, 98° 53' O, y altitud de 2250 m).

Material vegetal

El estudio dio inicio con la germinación de semillas de cuatro variedades de arroz (las mexicanas 'Temporalero, 'Huimanguillo', 'Tres Ríos' y la japonesa 'Koshihikari'), en cajas Petri sobre papel filtro humedecido con agua destilada. Ocho días después de la germinación, las plántulas fueron trasplantadas a charolas de plástico que contenían suelo esterilizado (pH 7.8, conductividad eléctrica 1.09 dS m^-1, N 0.05 %, P 59.53 mg kg^-1, K 0.38 cmol₍₊₎ kg^-1, capacidad de intercambio catiónico 15.26 cmol₍₊₎ kg^-1, textura franco arcillosa), donde permanecieron hasta alcanzar 35 d de edad y 8 cm de altura. Posteriormente, las plantas fueron extraídas del suelo, sus raíces se lavaron con agua destilada, y luego se trasplantaron a macetas de 3 L de capacidad que contenían la solución nutritiva de Steiner (a 20 %, con pH de 5.5), y mantenidas ahí por una semana como periodo de adaptación.

Tratamientos y diseño experimental

Los tratamientos de aluminio (0, 200 y 400 μM Al) fueron aplicados en un experimento con arreglo factorial 4 x 3, donde el factor 1 fue la variedad de arroz ('Temporalero', 'Huimanguillo', 'Tres Ríos' y 'Koshihikari'), y el factor 2 fue la concentración de Al³⁺. Los 12 tratamientos fueron distribuidos en un diseño experimental completamente al azar, en el que una cubeta de 3 L de capacidad con cuatro plantas fue considerada como unidad experimental, con tres cubetas por tratamiento.

Solución nutritiva

La solución nutritiva de Steiner (Steiner, 1984) a 20 % usada para el crecimiento de las plantas contenía los siguientes iones (en mol_c m^-3): 2.4 de NO₃^-; 0.2 de H₂PO₄^-; 1.4 de SO₄^-2; 1.4 de K+; 1.8 de Ca²+; y 0.8 de Mg²+. Adicionalmente se agregó una mezcla de micronutrimentos en las siguientes concentraciones (mg L^-1): 1.6 de Mn; 0.11 de Cu; 0.865 de B; 0.023 de Zn; y 5.0 de Fe, en la que Mn, Cu y Zn fueron suministrados en forma de sulfatos; B como H₃BO₃; y Fe como quelato (Fe-EDTA), según lo descrito por Steiner y van Winden (1970). El aluminio fue suministrado como AlCl₃ 6H₂O y el pH de la solución fue ajustado a un valor de 4.2, para garantizar que el Al permaneciera en su forma iónica Al³⁺. La solución nutritiva fue renovada cada 48 h, con un ajuste de pH a 4.2 cada 24 h. Debido a que el arroz es una especie que se cultiva bajo condiciones de anoxia, la solución nutritiva no fue oxigenada.

Concentración de micronutrimentos. Después de cuatro semanas de tratamiento con Al, las plantas fueron cosechadas y las hojas fueron separadas y secadas para la determinación de las concentraciones de Cu, Fe, Mn y Zn. Las muestras de material seco se sometieron a digestión con una mezcla de ácidos nítrico y perclórico (relación 2:1, v:v) (Alcántar y Sandoval, 1999). En los extractos obtenidos se cuantificaron las concentraciones de Cu, Fe, Mn, Zn y Al con un equipo de espectrometría de emisión atómica de inducción por plasma acoplado (ICP-AES) marca VARIAN® modelo Liberty II (Mulgrave, Australia).

Tamaño y crecimiento de raíces. En las semanas 2 y 4 del experimento se midió longitud y diámetro de raíces (en mm), y se tomaron fotografías para registrar su forma.

Análisis estadístico. Los datos obtenidos fueron analizados mediante el programa estadístico SAS (SAS Institute, 2011), con el procedimiento ANOVA y las medias fueron comparadas por la prueba de Tukey (P < 0.05).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El análisis nutrimental demostró que la variedad, la concentración de Al y la interacción entre ambos factores ejercieron efectos significativos (P < 0.05) sobre la concentración de Cu, Fe, Mn y Zn en hojas de arroz (Cuadro 1). El factor variedad y la interacción entre factores de estudio tuvieron efectos significativos en la concentración de los micronutrimentos en estudio, mientras que el factor concentración de Al en la solución nutritiva tuvo efectos significativos sobre la concentración de Cu, Mn y Zn, pero no para Fe.

El efecto de la interacción entre los factores medidos (variedad x concentración de Al) sobre la concentración de Cu, Fe, Mn y Zn en hojas de arroz se muestra en el Cuadro 2. Se aprecia que la mayor concentración de Cu se obtuvo en la variedad 'Temporalero' tratada con 400 μM Al. Esta misma variedad no mostró efecto de las interacciones entre los factores en estudio para la concentración de Fe, y lo mismo se observa en la variedad 'Tres Ríos'. Respecto a Zn, su concentración aumentó conforme se incrementó la concentración de Al en la solución en todas las variedades.

La concentración de Cu, Fe, Mn y Zn en hojas de arroz sometidas a tres concentraciones de Al en la solución nutririva por efecto del factor variedad se presenta en el Cuadro 3. Las variedades 'Koshihikari', 'Tres Ríos' y 'Huimanguillo' acumularon menos Zn en sus hojas, comparadas con 'Temporalero', que mantuvo una concentración mayor de este elemento, y también de Cu y Mn. Respecto a Fe, la variedad 'Huimanguillo' presentó la menor concentración.

El efecto del factor concentración de Al en la solución nutritiva sobre las concentraciones foliares de Cu, Fe, Mn y Zn se muestra en el Cuadro 4. Las mayores concentraciones de Cu y Fe se presentaron en plantas expuestas a los mayores niveles de Al en solución (400 μM Al). Las concentraciones de Mn y Zn mostraron una respuesta opuesta a Cu y Fe, dado que la mayor concentración de Mn y Zn se observó en plantas testigo (sin Al en la solución nutritiva), en tanto que su menor concentración se tuvo en plantas tratadas con el nivel más alto de Al (400 μM Al), lo que demuestra un efecto antagónico de Al sobre Mn y Zn.

Tsutsui et al. (2012) reportaron que el gen que codifica la proteína transportadora de hierro 2 (OsIRT2; Os03g0667500) fue inducido en presencia de Al. Por su parte, Ishimaru et al. (2006) encontraron que la absorción de Fe es mediada por las proteínas OsIRT1 y OsIRT2 en arroz, aunque solo el gen OsIRT2 (pero no OsJRT1) es inducido por Al. Además, esta inducción en arroz parece ser única para la especie, dado que en Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), maíz (Zea mays), trébol (Medicago truncatula) y trigo no se ha observado tal mecanismo de respuesta a aluminio.

El aluminio induce peroxidación y formación de especies reactivas de oxígeno, y en arroz se han identificado mecanismos antioxidantes que contrarrestan la toxicidad por Al (Meriga et al., 2004; Sharna y Dubey, 2007). Tsutsui et al. (2012) identificaron un gen con actividad de superóxido dismutasa (OsSOD) dependiente de Mn, lo que destaca la importancia de este metal en mecanismos antioxidantes detonados por el aluminio.

En cuanto a crecimiento, la mayor longitud de raíz (23.1 cm) se presentó en la variedad 'Koshihikari', en plantas testigo (0 μM Al³⁺) (Figura 1), en tanto que la menor longitud (13.6 cm) se registró en la variedad 'Temporalero' tratada con 400 μM Al³⁺. Por su parte, la concentración de 200 μM Al³+ en solución causó una disminución ligera de esta variable en la variedad 'Tres Ríos'.

Estos resultados concuerdan con lo reportado por Goh y Lee (1999), quienes observaron que la inhibición del crecimiento de la raíz en plántulas de arroz depende de la concentración de Al en el medio, dado que las plantas absorben rápidamente este elemento.

La interacción del aluminio con los componentes de la membrana celular altera su permeabilidad, lo cual constituye uno de los principales factores responsables de la reducción del crecimiento de la raíz y de la planta (Peixoto et al., 2001). También existe una relación inversa entre la inhibición del crecimiento de la raíz y la acumulación de Al en la célula, porque el Al promueve la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS) mediada por la peroxidación de lípidos. En especies vegetales que logran desarrollar mecanismos eficientes de destoxificación por Al, la peroxidación es mitigada por medio de la activación del sistema antioxidante tanto enzimático como no enzimático (Meriga et al., 2004).

En comparación con el efecto observado en la concentración de macronutrimentos reportado por Marín-Garza et al. (2010), en donde se registró mayor tolerancia en la variedad 'Tres Ríos', en este estudio la variedad que más destaca es 'Temporalero', lo cual permite inferir que entre los genotipos de arroz hay diferentes niveles de importancia o efectos antagónicos del aluminio con los macro y los micronutrimentos.

Tsutsui et al. (2012) expusieron plantas de la variedad 'Koshihikari' (tolerante a Al) y el mutante star1 (Sensitive to Al Rhizotoxicity 1, sensible a Al) a 20 mM AlCl₃. Al aislar transcritos de células del ápice de la raíz para medir la expresión génica, encontraron que en el primer genotipo 213 genes mostraron inducción por Al, en tanto que en el segundo fueron 2015 los genes inducidos. Al analizar los transcritos de células de la región basal de la raíz, observaron que para 'Koshihikari' hubo 126 genes inducidos por Al, mientras que para el mutante star1 fueron 2419 los genes inducidos por el metal.

Estos resultados indican que los genes que responden a Al no son restrictivos del ápice de la raíz, sino que también hay en la región basal. Además del factor de transcripción ART1-regulated one (Yamaji et al., 2009), se encontraron nuevos mecanismos que relacionan la tolerancia del arroz a Al con la asimilación de N y con la síntesis de metabolitos secundarios, de pared celular y de etileno (Tsutsui et al., 2012), los cuales explican, al menos en parte, la alta tolerancia de esta especie al Al, dado que especies sensibles a este metal no muestran inducción de tales mecanismos.

El aluminio afecta diferencialmente la acumulación de micronutrimentos en los diferentes genotipos de arroz analizados, y en general, al incrementarse la concentración de este metal en la solución nutritiva disminuyen las concentraciones de Cu y Fe, pero aumentan las de Mn y Zn, lo cual demuestra efectos antagónicos y sinérgicos, respectivamente. En todos los casos, la variedad 'Temporalero' logró mayor concentración de Cu, Fe, Mn y Fe en hojas, en comparación con las otras tres variedades evaluadas. Con relación a la longitud de raíz, a medida que aumentó el nivel de Al en la solución nutritiva esta variable se redujo, y las variedades más afectadas fueron 'Temporalero' y 'Tres Ríos'.

AGRADECIMIENTOS

A la Línea Prioritaria de Investigación No. 5 Biotecnología Microbiana, Vegetal y Animal del Colegio de Postgraduados por las facilidades y los apoyos otorgados para este proyecto, así como al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por la beca de postgrado otorgada a TMG. También se agradece a la Biól. Leticia Tavitas-Fuentes y al M. C. Leonardo Hernández-Aragón del INIFAP Zacatepec (México), por haber proporcionado los materiales de arroz analizados.

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