Efecto del preacondicionamiento y el sustrato salino en la germinación y crecimiento de plántulas de maíz (Zea mays) raza chalqueño

Effect of priming and saline substrate on germination and seedling growth of chalqueño maize (Zea mays)

Sergio Nicasio–Arzeta, M. Esther Sánchez–Coronado, Alma Orozco–Segovia, Alicia Gamboa–de Buen^*

Departamento de Ecología Funcional, Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México.

Resumen

El tratamiento pregerminativo de enterrar las semillas en el suelo tiene efectos positivos en la germinación y el establecimiento de las plántulas. Tratamientos píegeíminativos al maíz (Zea mays) aumentan su germinación y el establecimiento de las plántulas en condiciones controladas y de estrés. Por tanto, pretratamientos germinativos en el suelo donde se cultivará esta especie podría incrementar la emergencia. En este estudio se evaluó la imbibición de semillas enterradas en suelo salino y no salino y de semillas con preacondicionamiento hídrico. La imbibición se evaluó nuevamente durante la germinación incluyéndose semillas sin pretratamiento (testigo). Las plántulas resultantes se sembraron en macetas con suelo salino y no salino en una casa de sombra (diseño experimental 4 X 2). A los 11, 15, 18 y 22 d después de la siembra se midió la altura, número de hojas, área foliar, biomasa de la raíz, tallo, hojas y total y se calculó la proporción de: área foliar, masa foliar, masa del tallo y raíz/vástago. Se realizó análisis de varianza con los datos de a contenidos finales de agua, porcentajes de germinación, velocidades de imbibición y de germinación y variables de crecimiento. Para conocer las diferencias entre los tratamientos se aplicó la prueba de Tukey (p ≤0.05). Los tratamientos pregerminativos en ambos suelos incrementaron la velocidad máxima y porcentaje final de germinación y la acumulación de biomasa. En condiciones salinas el crecimiento de las plántulas provenientes de semillas tratadas en suelo salino fue mejor. Por tanto, el tipo de suelo utilizado en el pretratamiento confiere a las plántulas ventajas al crecer en el mismo tipo de suelo, aún cuando las condiciones sean adversas.

Palabras clave: estrés salino, preacondicionamiento hídrico, preacondicionamiento natural, vigor de las plántulas.

Abstract

The pregerminative treatment of burying seeds in the soil has a positive effect on germination and seedling establishment. The pregerminative treatments applied to maize (Zea mays) increase their germination and seedling establishment under controlled and stress conditions. Therefore, the pretreatment germination in the soil where this species will be cultivated might increase seedling establishment. In this study, the imbibition of seeds buried in saline and non saline soil and of seeds with hydropriming was assessed. Imbibition was reassessed during germination including seeds without pretreatment (control). The seedlings obtained were planted in pots with saline and non saline soil in a shade house (experimental design 4 X 2). At 11, 15, 18 and 22 d after sowing, height, leaf number, leaf area, root, stem, leaves and total bio mass were calculated, as well as the ratio of: leaf area, leaf mass, stem mass and root/ shoot. The analysis of variance was applied to data of final contents of water, germination percentage, imbibition and germination rates and growth variables. To know the differences between treatments the Tukey test (p≤0.05) was applied. Pretreatment in both soils increased the maximum rate and final germination percentage and biomass accumulation. Seedling growth from seeds treated in saline soil recorded better results. Therefore, the type of soil used in the pretreatment confers advantages to seedlings grown in the same soil type, even when conditions are adverse.

Key words: saline stress, hydropriming, natural priming, seedling vigor.

INTRODUCCIÓN

El preacondicionamiento es un tratamiento pregerminativo que se aplica principalmente a semillas agrícolas colocándolas por un tiempo determinado en soluciones osmóticas o en matrices sólidas, de manera que puedan absorber agua y solutos e iniciar los procesos metabólicos correspondientes a la fase temprana de la germinación, pero previene la protrusión de la radícula (Heydecker et al., 1973). Estos tratamientos pregerminativos promueven la sincronización e incrementan la velocidad de germinación de la población de semillas. En algunas especies el preacondicionamiento también aumenta la velocidad de crecimiento y el porcentaje de sobrevivencia de las plántulas durante su establecimiento aún en condiciones ambientales adversas (McDonald, 2000; Sánchez et al., 2001; Butola y Badola, 2004). Los patrones de crecimiento y la asignación de los recursos a las distintas estructuras de la plántula también pueden ser afectados por los tratamientos pregerminativos (Iqbar y Ashraf, 2005; Zhang et al., 2007; Farooq et al., 2010).

En el maíz (Zea mays) el preacondicionamiento incrementa la velocidad y el porcentaje final de germinación (McDonald, 2000; Moradi–Dezfuli et al., 2008; Guan et al. 2009). En esta especie también se han realizado estudios para promover la germinación y el establecimiento de plántulas en diferentes condiciones de estrés (Farooq et al., 2008). El tratamiento de osmoacondicionamiento con NaCl, KCl, y CaCl₂ aumenta la velocidad y el porcentaje final de germinación en condiciones de estrés salino con respecto al testigo y al tratamiento de preacondicionamiento hídrico; además incrementa la biomasa final de plúmulas y radículas (Ashraf y Rauf, 2001).

El preacondicionamiento en matriz sólida se aplica embebiendo las semillas en un material sólido con potencial mátrico bajo, solubilidad nula, retención del agua y proporción superficie–volumen altas. Este tratamiento emula el proceso natural de imbibición de las semillas mediado por las partículas del suelo (McDonald, 2000). Sin embargo, las semillas con este tratamiento no están sujetas a las variaciones ambientales. Un tratamiento de preacondicionamiento en matriz sólida, que consiste en enterrar las semillas en arena humedecida, promueve la germinación y el establecimiento de las plántulas de maíz en condiciones de estrés salino (Zhang et al., 2007).

El preacondicionamiento natural es un tratamiento basado en el efecto que causa la exposición de las semillas a los procesos de hidratación–desecación que ocurren en el suelo, durante su estancia en el banco de semillas; y consiste en enterrar los lotes de semillas durante un tiempo delimitado por el momento de la dispersión y el establecimiento de las lluvias (González–Zertuche et al., 2001). Este tratamiento se ha usado exitosamente (González–Zertuche et al., 2000; González–Zertuche et al., 2001; Orozco–Segovia et al., 2007) en plantas silvestres y con fines de restauración ecológica. El preacondicionamiento natural rompe la latencia, incrementa la velocidad de germinación y aumenta el porcentaje de sobrevivencia y de establecimiento de las plántulas (González–Zertuche et al., 2000; González–Zertuche et al., 2001; Orozco–Segovia et al., 2007), debido a que promueve los eventos metabólicos relacionados con la fase temprana de la germinación (Gamboa–deBuen et al., 2006).

El objetivo del presente estudio fue evaluar un tratamiento que combina el preacondicionamiento natural con el acondicionamiento en matriz sólida al enterrar las semillas en dos tipos diferentes de suelo, uno no salino y otro salino, y determinar su efecto en la germinación y el crecimiento de las plántulas de maíz de la raza Chalqueño. Los maíces de esta raza son tolerantes a la sequía y se cultivan en los Valles Altos Centrales de México (Romero Peñaloza et al., 2002). La hipótesis fue que el preacondicionamiento natural en suelo salino es un preacondicionamiento en matriz sólida que aumenta la capacidad y velocidad germinativa y genera plántulas vigorosas con mayor tolerancia a la salinidad.

MATERIALES Y MÉTODOS

El suelo salino (4.933±0.242 dS m^–1) se obtuvo de parcelas experimentales del Colegio de Postgraduados en el municipio de Texcoco, Estado de México (agosto del 2009). El suelo del testigo fue adquirido en los Viveros de Coyoacán, México, y sus niveles salinos fueron indetectables (Cuadro 1). El estudio se realizó con semillas de maíz raza chalqueño cosechadas en 2008, adquiridas en un mercado de Chalco, México, y fueron almacenadas a 4 °C hasta su uso, a principios de 2009.

Las semillas se colocaron en una bolsa de malla plástica y se enterraron a 5 cm de profundidad por 24 h en macetas de 1 L con suelo salino (ES) y no salino (ENS), sin terrones. Las macetas se mantuvieron en una casa de sombra (21.3±7 °C) del Instituto de Ecología de la Universidad Autónoma de México, México. La capacidad de campo se registró, después de 24 h se extrajeron las semillas y se limpiaron superficialmente. Para el preacondicionamiento hídrico las semillas se colocaron en 2 L de agua destilada, en una cámara de germinación (Conviron 125, Winnipeg, Canadá) a 8 °C (temperatura que permite reducir la energía libre del agua y por tanto retrasar la germinación; Sánchez et al., 2001) y en oscuridad por 24 h. Después de retirar las semillas del agua se secaron sobre papel absorbente por 4 d a temperatura ambiente (22 °C± 1.8) para que alcanzaran su contenido de humedad inicial (8.48±0.56). Todo el proceso se efectuó en oscuridad.

Germinación

Las semillas de cada pretratamiento y el testigo (semillas sin pretratamiento) se sembraron en cajas petri con papel filtro humedecido permanentemente con agua y, tres réplicas con 50 semillas cada una. Las semillas se mantuvieron en la cámara de germinación a 20 °C con fotoperiodo largo (16 h luz y 8 h oscuridad). La germinación se registró cada 6 h durante 72 h.

Curvas de imbibición durante el preacondicionamiento y durante la germinación

Durante los pretratamientos y la germinación se evaluó la imbibición durante 24 h. Cada 2 h se registró el peso fresco (PF) individual de 15 semillas por tratamiento. El peso seco (PS) de cada semilla se obtuvo después de mantenerlas 48 h a 70 °C. El incremento en contenido de humedad se determinó como: CH = ((PF – PS)/PS) X 100. La velocidad de imbibición corresponde a la primera deriva máxima de la función ajustada (tasa máxima).

Crecimiento

Por cada tratamiento se trasplantaron individualmente 72 plántulas, en macetas con 1 L de suelo salino y no salino, y se mantuvieron en la casa de sombra. Las macetas se llenaron con 1 L de suelo no salino o salino. Todas las plántulas se regaron inicialmente a capacidad de campo y después diariamente con 270 mL de agua. Así se generaron ocho tratamientos: semillas testigos germinando en suelo salino o no salino (CS y CNS), semillas con preacondicionamiento hídrico germinando en suelo salino (PHS) o y no salino (PHNS), semillas preacondicionadas naturalmente enterradas en suelo salino y en suelo no salino (preacondicionamiento natural), y a la vez, germinando en ambos suelos (ESS, ESNS, ENSS, ENSNS).

Para evaluar el crecimiento se cosecharon 12 plántulas por tratamiento y por tipo de suelo a los 11, 15, 18 y 22 d después del trasplante. Se midió la altura, el número de hojas y el área foliar. También, se determinó, la biomasa de la raíz, el tallo y las hojas (después de mantenerlos a 70 °C por 48 h). Las variables alométricas se calcularon con las siguientes relaciones (Hunt, 1982):

Los ajustes de las curvas de imbibición (y=a+bx² +cx^0.5, y=a+bx^c) y de germinación (y=a/(1+b^(–cx))) se hicieron con el programa Table Curve versión 2.1 (INC., Chicago, IL, USA). Se realizó análisis de varianza ANOVA y prueba de Tukey (p≤0.05) para conocer las diferencias entre los contenidos finales de agua, porcentajes de germinación, velocidad de imbibición y de germinación y variables de crecimiento. Previamente se comprobó el cumplimiento de los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas y en el caso de los dos primeros se hizo la transformación angular de los datos en porcentaje (Zar, 1974). Cuando no se cumplieron los requerimientos para hacer el ANOVA, se hicieron análisis de Kruskal–Wallis. Los análisis estadísticos se hicieron con los programas STATISTICA 8 (StatSoft, Tulsa, USA) y STATGRAPHICS 2.0 (Rockville, MD, USA).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Germinación

Los tratamientos pregerminativos (semillas con preacondicionamiento hídrico (PH), semillas enterradas en suelo no salino (ENS) y semillas enterradas en suelo salino (ES)), no afectaron la velocidad de imbibición respecto al testigo (Figura 1A). En todos los casos, la pendiente de la curva fue pronunciada durante las primeras 2 h debido a la absorción rápida de agua, y después la entrada se estabilizó. Este comportamiento ha sido descrito por Bewley y Black (1994). La velocidad máxima de imbibición no presentó diferencias significativas entre los pretratamientos (H = 4.177; p = 0.12), mientras que el contenido final de agua en las semillas ES fue mayor que en los otros tratamientos (F₍₃₅₆₎ = 2260.6; p = 0.001), probablemente como resultado de la acumulación de sodio en las células. Los pretratamientos sí afectaron la velocidad de imbibición en las primeras 24 h de la germinación y fue significativamente mayor en las semillas ES (Figura 1B). Es decir, estas semillas presentan potencial hídrico menor que los otros tratamientos y el testigo, probablemente debido a la acumulación de solutos durante el tratamiento de acondicionamiento mátrico en suelo salino.

Los tratamientos pregerminativos también afectaron el porcentaje final de germinación (Figura 2A), el tiempo medio (Figura 2B) y la velocidad máxima de germinación (Figura 2B). El testigo presentó 80 % de germinación, mientras que las semillas con preacondicionamiento aumentaron su germinación a 85 %. Por tanto, la germinación del maíz pasó de estar fuera de norma a estar dentro de ella.

El tiempo promedio de germinación de los tratamientos fue significativamente diferente (F_(3,12) = 33–475; p=0.001). El porcentaje final de germinación fue significativamente mayor en las semillas ENS y ES (F_(3,12)= 13.03; p=0.001) e iniciaron la germinación en un tiempo menor (24 h). Este incremento de las variables germinativas es comparable al descrito en maíz, en otras especies cultivadas y en plantas silvestres debido a tratamientos pregerminativos diversos (McDonald, 2000; Moradi–Dezfuli et al., 2008). Contrario a lo esperado, las semillas PH tuvieron la velocidad de germinación menor (Figura 2B). Esto podría deberse a la temperatura durante el PH, a pesar de que es usual que se aplique a temperaturas bajas, hasta 5 °C (González–Zertuche et al. 2000) para aumentar el tiempo de imbibición y dar tiempo para permitir los avances metabólicos propios de la fase II de la germinación, como síntesis de proteínas, reparación y síntesis de ADN y ARN (Bewley y Black, 1994). En algunos estudios los tratamientos de preacondicionamiento de maíz se han realizado a 15°C(Guan et al, 2009).

El efecto favorable del preacondicionamiento natural en el maíz está relacionado con la absorción lenta de agua a las partículas del medio, como en el preacondicionamiento en matrices sólidas, con arena (Zhang et al., 2007) o con vapor de agua (Sánchez et al., 2001).

Crecimiento

Los tratamientos pregerminativos no afectaron las variables alométricas después de 11 d de crecimiento de las plántulas (datos no mostrados); en contraste, el suelo salino si alteró las variables alométricas como lo describió Zhang et al. (2007). En particular, el crecimiento de la raíz disminuyó en condiciones de estrés salino. Después de 22 d de crecimiento, el efecto del suelo salino en SMR fue mayor y los tratamientos pregerminativos también tuvieron un efecto significativo. Ninguna de las plántulas presentó síntomas de deficiencia de nitrógeno. La asignación de biomasa al tallo fue mayor en las plantas crecidas en suelo salino. Sin embargo, el SMR siempre fue menor en los tratamientos ESS, ESNS, ENSS y ENSNS, principalmente en las plantas que crecieron en suelo no salino. Lo anterior indica que en estos tratamientos la plántulas asignaron más biomasa para la superficie fotosintética o a la raíz, que al tallo (Cuadro 2).

La acumulación de biomasa en las plántulas fue similar entre los pretratamientos y después de 11 d de crecimiento no hubo efecto significativo en la biomasa debido a los pretratamientos, o suelo de crecimiento (Figura 3). Sin embargo, después de 22 d ambos factores tuvieron efecto significativo (F_(3,95) = 7.56; p=0.001 y F_{(1, 95)}=16.60; p=0.001); además, la interacción entre ambos factores fue significativa (F_(3,95) = 6.06; p=0.001).

El enterramiento de las semillas (preacondicionamiento natural) promovió la germinación y la acumulación de biomasa de las plántulas con estrés salino, como se ha descrito con otros tratamientos pregerminativos (Iqbar y Ashraf, 2005; Zhang et al., 2007; Moradi–Dezfuli et al., 2008). Sin embargo, las biomasas mayores se obtuvieron en plántulas de semillas ENS que crecieron en suelo no salino y en menor proporción en las ES que crecieron en suelo salino. Esto indica que el tipo de suelo usado en el pretratamiento incide sobre el desarrollo de la plántula, el que depende del tipo de suelo en el que crecerá.

En las especies silvestres Wigandia urensy Buddleia cordata la germinación y emergencia (indicador de su vigor) fueron mejoradas por el preacondicionamiento natural de las semillas sembradas en el mismo sitio de aplicación (Ajusco y Reserva del Pedregal de San Ángel, México, D.F) (González–Zertuche, 2005). Lo anterior se interpretó como la acumulación, en el nivel molecular, de información en las semillas de las condiciones que la rodean a lo largo de su historia, y que prepara al embrión para enfrentar las condiciones ambientales que encontrará durante la germinación y el crecimiento inicial (Gamboa–de Buen et al., 2006). Al aplicar diferentes tipos de preacondicionamiento en laboratorio hubo mejores resultados al cambiar con alguna otra condición de estrés, como calor o salinidad (Bennett, 2004). A pesar de que las plántulas de las semillas ENS sembradas en suelo no salino produjeron más biomasa respecto al testigo y a ES, su crecimiento fue pobre en suelo salino respecto a ES. En contrate, el preacondicionamiento hídrico generó la misma cantidad de biomasa respecto al testigo. Este resultado es similar a la respuesta germinativa y confirma que hay otros factores involucradas en ella. Estos resultados confirman la necesidad de realizar más evaluaciones para optimizar el uso del preacondicionamiento hídrico. En contrate, enterrar las semillas en el suelo apropiado y a temperatura ambiente, como pretratamiento, es simple y se podría recomendar para su uso en mayor escala.

CONCLUSIONES

Enterrar las semillas durante 24 h en el suelo húmedo del sitio en el que va a crecer la planta, como tratamiento pregerminativo (preacondicionamiento natural en matriz sólida), en condiciones de casa de sombra y secarlas en la oscuridad es un pretratamiento sencillo y económico que permite que las semillas: aumenten su capacidad y velocidad de germinación. El enterramiento de las semillas también mejora el crecimiento de las plántulas en condiciones similares a las que se exponen durante el enterramiento.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por los proyectos PAPIIT–UNAM IN 228109 y SEP–CONACyT 60304 otorgados a Alicia Gamboa–de Buen.

LITERATURA CITADA

Ashraf, M., and H. Rauf. 2001. Inducing salt tolerance in maize (Zea mays L.) through seed priming with chloride salts: Growth and ion transport at early growth stages. Acta Physiol. Plant. 23: 407–414.         [ Links ]

Bennett, M. A. 2004. Seed and agronomic factors associated with germination under temperature and water stress. In: Handbook of Seed Physiology. Applications to Agriculture. Benech–Arnold, R. L. and R. A. (eds). The Haworth Reference Press, New York, pp: 97–114.         [ Links ]

Bewley, D. J., and M. Black. 1994. Seeds. Physiology of Development and Germination. 2° ed. Plenum Press. 445 p.         [ Links ]

Butola, J. S., and H. K. Badola. 2004. Effect of pre–sowing treatment on seed germination and seedling vigour in Angelica glauca, a threatened medicinal herb. Curr. Sci. 87: 796–796.         [ Links ]

Farooq, M., T. Aziz, S. M. A. Basra, M. A. Cheema, and H. Rehman. 2008. Chilling tolerance in hybrid maize induced by seed priming with salicylic acid. J. Agron. Crop. Sci. 194: 161–168.         [ Links ]

Farooq M., A.Wahid, N. Ahmad, and S. P. Asad. 2010. Comparative efficacy of surface drying and re–drying seed priming in rice: changes in emergence, seedling growth and associated metabolic events. Paddy Water Environ. 8: 15–22.         [ Links ]

Gamboa–de Buen, A., R. Cruz Ortega, E. Martínez–Barajas, M. E. Sánchez–Coronado, and A. Orozco–Segovia. 2006. Natural priming as an important metabolic event in the life history of Wigandia wens (Hidrophyllaceae) seeds. Physiol. Plant. 128: 520–231.         [ Links ]

González–Zertuche, L. 2005. Tratamientos de endurecimiento en semillas de Buddleja cordata (Loganiaceae) y Wigandia Urens (Hydrophyllaceae), dos especies útiles para reforestar o restaurar áreas perturbadas. Tesis de Doctorado, Universidad Nacional Autónoma de México.         [ Links ]

González–Zertuche, L., A. Orozco–Segovia, y C. Vázquez–Yanes. 2000. El ambiente de la semilla en el suelo: su efecto en la germinación y en la sobrevivencia de la plántula. Bol. Soc. Bot. Mex. 65:73–81.         [ Links ]

González–Zertuche, L., C. Vázquez–Yanes, A. Gamboa, M. E. Sánchez–Coronado, P. Aguilera, and A. Orozco–Segovia. 2001. Natural priming of Wigandia urens seeds during burial: effects on germination, growth and protein expression. Seed Sci. Res. 11: 27–34.         [ Links ]

Guan Y., J. Hu, X. Wang, and C. Shao. 2009. Seed priming with chitosan improves maize germination and seedling growth in relation to physiological changes under low temperature stress. J. Zhejiang Univ. Sci. B. 10: 427–433.         [ Links ]

Heydecker W.J. Higgins, and R. L. Gulliver. 1973. Accelerated germination by osmotic seed treatment. Nature 246; 42–46.         [ Links ]

Hunt, R. 1982. Plant Growth Curves. Edward Arnold Publishers. London. 191 p.         [ Links ]

Iqbar, M., and M. Ashraf. 2005. Changes in growth, photosynthetic capacity and ionic relations in spring wheat (Triticum aestivum L.) due to pre–sowing seed treatment with polyamines. Plant Growth Regul. 46: 19–30.         [ Links ]

McDonald, M.B. 2000. Seed primin In: Seed Technology and its Biological Basis. Black, M. and D. Bewley (eds). Academic Press, London, pp: 286–32.         [ Links ]

Moradi–Dezfuli, P., F. Sharif–Zadeh, and M. Janmohammadi. 2008. Influence of priming techniques on seed germination behavior of maize inbred lines (Zea mays L.). J. Agr. Biol. Sci. 3: 22–25.         [ Links ]

Orozco–Segovia, A., J. Márquez–Guzmán, M. E. Sánchez–Coronado, A. Gamboa–de Buen, J. M. Baskin, and C. C. Baskin. 2007. Seed anatomy and water uptake in relation to seed dormancy in Opuntia tomentosa (Cactaceae, Opuntioideae). Ann. Bot. 1–12.         [ Links ]

Romero Peñaloza, J., F. Castillo González, and R. Ortega Paczka. 2002. Cruzas de poblaciones nativas de maíz de la raza Chalqueño: II. Grupos genéticos, divergencia genética y heterosis. Rev. Fitotec. Mex. 25: 107–115.         [ Links ]

Sánchez, J. A., R. Orta, y B. Muñoz. 2001. Tratamientos pregerminativos de hidratación–deshidratación de las semillas y sus efectos en plantas de interés agrícola. Agr. Costarr. 25: 67–92.         [ Links ]

Zar, J. H. 1974. Biostatistical Analysis. Prentice–Hall, New Jersey. 620 p.         [ Links ]

Zhang, C. R, J. Hu, J. Lou, Y. Zhang, and W. M. Hu. 2007. Sand priming in relation to physiological changes. I Seed germination and seedling growth of waxy maize under high salt stress. Seed Sci. Technol. 35: 733–738.         [ Links ]

NOTA

* Autor responsable.