Calidad fisiológica de semillas de Physalis ixocarpa en función de madurez a cosecha y condiciones de almacenamiento*

Physalis ixocarpa physiological seed quality in terms of maturity at harvest and storage conditions

Ignacio Pérez Camacho^1†, Víctor Arturo González Hernández^1§, Óscar Javier Ayala Garay¹, José Alfredo Carrillo Salazar¹, Gabino García de los Santos¹, Aureliano Peña Lomelí² y Elia Cruz Crespo³

¹ Posgrado en Recursos Genéticos y Productividad. Colegio de Postgraduados-Campus Montecillo. Carretera México-Texcoco, km 35.5. Montecillo, Texcoco, Estado de México. C. P. 26530. (oayala@colpos.mx), (asalazar@colpos.mx), (garciag@colpos.mx).^§Autor para correspondencia: vagh@colpos.mx.

³ Facultad de Agronomía. Universidad Autónoma de Nayarit. Carretera Tepic-Compostela, km 9. Xalisco, Nayarit, México. C. P. 63780. (ccruzc2006@yahoo.com.mx).

*Recibido: septiembre de 2011
Aceptado: diciembre de 2011

Resumen

El deterioro de la semilla durante el almacenamiento reduce su capacidad germinativa y el establecimiento de plántulas en campo. En semillas de Physalis ixocarpa Brot., se desconocen los niveles de los factores ambientales que afectan su longevidad germinativa y su desempeño fisiológico durante el almacenamiento, en función del estado de desarrollo a la cosecha. En esta investigación se evaluó semilla de la variedad Chapingo cosechada en tres estados de desarrollo (45, 55 y 65 días después de la polinización), en tres periodos de almacenamiento (0, 4 y 8 meses) combinados con cinco ambientes que incluyeron dos temperaturas (23.8 y 5.3 °C) y dos niveles de humedad relativa (24 y 81%). Se encontró que la semilla puede mantener su capacidad germinativa inicial (70%), por al menos durante 8 meses cuando se almacena en baja humedad relativa (24%) o en frío (5 °C), ya que la combinación de alta humedad relativa (81%) y temperatura de 23 °C causan el deterioro de la semilla. El deterioro se manifiesta en reducciones de germinación de 70 a 29%, viabilidad de 81 a 46%, velocidad de emergencia de radícula de 20.4 a 9.9 radículas por día, velocidad de emergencia de la parte aérea de 6.3 a 2.3 plántulas por día, respiración de 16.1 a6.6nmol CO₂ g^-1 s-¹ y en un aumento en conductividad eléctrica de 32 a 97 µS cm-¹ g-¹. Las semillas de 55 días de edad ya han alcanzado la madurez fisiológica, pues germinan igual y con el mismo vigor que las semillas de 65 días. Las semillas inmaduras de 45 días ya poseen capacidad de germinar, aunque 10% menos que la semilla madura y con menor vigor.

Palabras clave: conductividad eléctrica, germinación, humedad relativa, respiración, temperatura.

Seed deterioration during storage reduces germination and seedling establishment in the field. For Physalis ixocarpa Brot. seeds the levels of environmental factors that affect its germination longevity and physiological performance during storage, depending on the state of development at harvest are unknown. For this research, variety Chapingo seeds harvested at three stages of development were evaluated (45, 55 and 65 days after pollination), in three storage periods (0, 4 and 8 months) combined with five environments including two temperatures (23.8 and 5.3 °C) and two relative humidity levels (24 and 81 %). It was found that, the seeds can maintain its initial germination capacity (70%) for at least 8 months when stored under low relative humidity (24%) or cold (5 °C), since the combination of high relative humidity (81%) and temperature of 23 °C cause degradation in the seeds. The deterioration is manifested in reduced germination from 70 to 29%, viability from 81 to 46%, radicle rate of emergence from 20.4 to 9.9 radicles per day, rate of emergence of the aerial part from 6.3 to 2.3 seedlings per day, respiration from 16.1 to 6.6 nmol CO₂ g^-1 s^-1 and an increase in electrical conductivity from 32 to 97 µS cm^-1 g^-1. Seeds of 55 days of age have already reached physiological maturity, since they germinate with the same vigor that the seeds of 65 days. Immature seeds of 45 days do have ability to germinate, although 10% less than mature seed and with less vigor.

Key words: electrical conductivity, germination, relative humidity, respiration, temperature.

Introducción

En el manejo comercial de semillas hortícolas los factores más importantes que reducen su viabilidad son la alta humedad ambiental y la alta temperatura, y sobre todo el alto contenido de humedad de la semilla (Copeland y McDonald, 2001; Melgoza et al., 2003; Pozo et al., 2008; Ruiz et al., 2008). La importancia de este factor en la preservación de las semillas, radica en el papel del agua en los procesos fisiológicos que determinan el vigor y la longevidad de las semillas, así como en el desarrollo de insectos y hongos de almacén (Vadillo et al., 2004; Castro et al., 2006; Bradford y Nonogaki, 2007).

En semillas ortodoxas, el contenido de humedad (CH) es probablemente el factor más importante que determina su longevidad. Si se reduce el CH se reduce también la respiración y se desacelera el envejecimiento de la semilla, por lo que se prolonga su viabilidad. Según la FAO (1991), con contenidos de humedad en base húmeda oscilando entre 0 y 4% el almacenamiento es muy seguro, siempre y cuando se haga en condiciones herméticas; de 8 a 9%, hay una importante reducción en la actividad de insectos; de 12 a 14% se inicia la posibilidad de desarrollo de hongos; de 18 a 20% la semilla puede calentarse (debido a una tasa alta de respiración y liberación de energía); y de 45 a 60% empieza la germinación.

Según Walters et al. (2005), con la deshidratación ocurren varias funciones, esencialmente bioquímicas, protectoras de paredes y organelos celulares; sin embargo, también puede haber efectos perjudiciales que desvanecen los efectos protectores y fomentan daños en las células de la semilla. Por tanto, es necesario conocer los procesos que ocurren al cambiar el nivel de hidratación, así como los mecanismos adversos que dan lugar a efectos deletéreos.

Algunos cambios fisiológicos en los tejidos celulares que pueden estar asociados con el envejecimiento fisiológico de las semillas son: 1) pérdida de reservas nutritivas debida a la respiración, como de proteínas y azúcares no reductores, en tanto que los azúcares reductores y ácidos grasos libres se incrementan; 2) acumulación de subproductos tóxicos de la respiración o inhibidores del crecimiento; 3) pérdida de actividad de los sistemas enzimáticos; 4) pérdida en la capacidad de las proteínas desecadas para recombinarse y formar moléculas protoplásmicas activas en una rehidratación ulterior; 5) envejecimiento de membranas celulares semipermeables; 6) peroxidación de lípidos, lo que hace que se liberen radicales libres que reaccionan y dañan a otros componentes celulares; y 7) alteraciones del ADN nuclear, que producen mutaciones genéticas y daño fisiológico (Palmaba/., 2000; Copeland y McDonald, 2001; Delouche, 2002; Rivera et al., 2007; Zhou et al., 2009). No está claro hasta qué punto estos efectos originan deterioro, pero se ha propuesto que la producción de radicales libres es el primer efecto del daño por envejecimiento que sufren los diversos sistemas de la célula.

Estos mecanismos se pueden presentar durante el almacenamiento y causar el envejecimiento de la semilla, el cual disminuye el porcentaje de germinación, la velocidad de crecimiento de la plántula y la tolerancia a condiciones adversas (Bradford, 2004; Estrada et al., 2005; Quinto et al., 2009). Un síntoma del envejecimiento de semillas es la disminución del tamaño de la plántula producida, que es un indicador de su vigor. El vigor de semillas y el envejecimiento están fisiológicamente ligados, en forma recíproca o inversa con la calidad de semillas. El envejecimiento tiene una connotación negativa, mientras que el vigor tiene una connotación positiva; el vigor disminuye a medida que el envejecimiento aumenta. Envejecimiento es el proceso de deterioro y muerte de las semillas, y vigor es el principal componente de la calidad que afectado por el deterioro. Las relaciones del envejecimiento con la germinación y con el vigor son similares (Delouche, 2002; Jara et al., 2006; Mapula et al., 2008).

En tomate de cáscara (Physalis ixocarpa Brot) como en muchas otras especies, es común observar que la semilla almacenada pierde rápidamente la viabilidad con temperaturas de almacenamiento superiores a 30 °C, condición que ocurre frecuentemente en bodegas de campos agrícolas. No obstante, existe la tecnología para lograr condiciones de almacenamiento adecuadas, para preservar la calidad fisiológica de las semillas ortodoxas por largos periodos, pero su alto costo la hace poco accesible para la mayoría de los usuarios, particularmente en los países en desarrollo (Copeland y McDonald, 2001; Lacerda et al., 2003; Lezcano et al., 2007).

El objetivo de este estudio fue analizar el efecto de dos temperaturas y dos humedades relativas, aplicadas durante el almacenamiento de semillas de tomate de cáscara cosechadas en tres etapas de desarrollo del fruto, sobre sus características de germinación, vigor, respiración y conductividad eléctrica.

Materiales y métodos

Se utilizó semilla de tomate de cáscara variedad CHF1-Chapingo, producida durante el ciclo primavera-verano de 2008, extraída de frutos cosechados en tres etapas del desarrollo (45, 55 y 65 días después de la floración; 40 frutos por etapa). Las semillas se secaron a la sombra durante 8 días; al final su contenido de humedad era de 5.7%.

Ambientes de almacenamiento

Se evaluaron cinco ambientes (tratamientos) de almacenamiento de semilla, que incluyeron las combinaciones de dos temperaturas con dos niveles de humedad relativa, más un testigo, como se detalla en el Cuadro 1. Los dos niveles de humedad se generaron dentro de frascos de plástico de 14*14*24 cm, mediante la adición de una solución saturada de cloruro de sodio (como agente humidificador) o de sílica gel (como agente desecante). Las dos temperaturas de almacenamiento fueron: 23.8 °C en un cuarto de germinación y 5.3 °C en un cuarto frío. El tratamiento testigo consistió en una bodega no climatizada con temperatura y humedad variables. Para registrar la temperatura y humedad relativa en los ambientes de almacenamiento se utilizaron sensores HOBO H8-032-08 (Onset Computer Corporation, USA).

Establecimiento del experimento de almacenamiento y diseño experimental

A4 cm arriba de la base de cada frasco, se puso una malla de alambre fijada en un soporte de madera, y sobre la malla se colocaron 100 semillas por repetición, envueltas en bolsas de tela porosa (tul de seda); las bolsas se depositaron sobre la mallade alambre en el interior de los frascos; éstos se sellaron herméticamente y se colocaron en los diferentes ambientes de almacenamiento. Después de ser almacenadas, las semillas se sometieron a evaluaciones de la calidad física y fisiológica, respiración y conductividad eléctrica, las cuales se hicieron en 2009 en el laboratorio de análisis de semillas del Colegio de Postgraduados ubicado en Montecillo, Estado de México. El diseño experimental fue de bloques completos al azar con arreglo factorial de tratamientos, con cuatro repeticiones. Los tratamientos se conformaron con la combinación de tres edades de la semilla (45, 55 y 65 días después de polinización), tres tiempos de almacenamiento (0, 4 y 8 meses) y cinco ambientes de almacenamiento.

Se calculó con la fórmula de Bewley y Black (1994), en cuatro repeticiones de 100 semillas las cuales se pesaron y posteriormente se deshidrataron durante 72 h a 72 °C en una estufa (Thelco 31480, USA).

Calidad fisiológica

Para la prueba de germinación se utilizaron cuatro repeticiones de 100 semillas. Las semillas se colocaron en cajas petri con papel filtro humedecido, y se metieron en una germinadora SD8900 (Seed buro Inc., USA) a 25 ± 1°C por 8 días, según las normas de la ISTA (2004). Como variables de vigor de semillas, en este experimento se calculó la velocidad de emergencia de radícula y de la parte aérea, con la fórmula de Maguire (1962) que utiliza el número de radículas y de partes aéreas emergidas cada 24 h. Además, al final de la prueba se determinaron el porcentajes de germinación y de viabilidad (esta última calculada como la suma del número de plántulas normales + el número de plántulas anormales).

Respiración

La respiración se evaluó cada 24 h durante 7 días en cuatro repeticiones de 100 semillas colocadas al azar en cajas petri. En cada muestreo se midió la actividad respiratoria de la semilla (nmol CO₂g^-1 s-¹) con un aparato de fotosíntesis CI-301PS (CID Inc., Canada), y se calculó el promedio de la tasa de respiración por tratamiento.

Conductividad eléctrica

El efecto de los meses de almacenamiento en la permeabilidad de las membranas celulares, se determinó en la solución de imbibición de las semillas mediante la conductividad eléctrica (µS cm-¹ g-¹), y se midió en cuatro repeticiones de 100 semillas tomadas al azar. Antes de la imbibición la semillas se pesaron, y luego se embebieron en 60 mL de agua desionizada a 25 °C durante 24 h. Se usó un aparato de conductividad Modelo 72729 (Oakton, Singapore).

Análisis estadístico de los datos

En cada variable se realizó un análisis de varianza en el que los factores fueron edad de la semilla, tiempo y ambientes de almacenamiento, así como sus respectivas comparaciones de medias. Para las comparaciones de medias se utilizó la prueba de Tukey, mediante el programa estadístico SAS versión 2009.

Resultados y discusión

Los análisis de varianza efectuados indicaron que hubo efecto significativo de los tres efectos principales evaluados (edad de la semilla, periodo de almacenamiento, y condiciones ambientales del almacén), así como de la interacción entre condiciones por periodos de almacenamiento y de la interacción entre temperatura por humedad relativa del ambiente. En función de lo anterior, a continuación se presentan los promedios de tratamientos por cada factor y sus respectivas comparaciones de medias, y los promedios de las interacciones significativas.

Efecto de las condiciones de almacenamiento

Al comparar las condiciones de almacenamiento aquí evaluadas, fue notorio que solamente cuando la temperatura alta (23.8 °C) se combinó con alta humedad relativa (81.4%), es que hubo reducción de la capacidad germinativa y de la viabilidad de las semillas de tomate de cáscara (Cuadro 2). Este fuerte efecto de la interacción entre temperatura y humedad del ambiente sobre la germinación de semillas de tomate de cáscara, se ilustra en le Figura 1. Por su parte, el tratamiento testigo correspondiente al almacenamiento en bodega rústica sin control del clima, no afectó la germinación ni la viabilidad de las semillas aunque la temperatura subió hasta 23 °C y la humedad relativa se elevó hasta 51%.

En el tratamiento que causó deterioro de la semilla (23.8 °C y 81.4% de HR), la conductividad eléctrica (CE) de la solución de imbibición aumentó notablemente, lo que indica que en esta condición las semillas perdieron solutos por lixiviación, que según Copeland y McDonald (2001), es debida al daño en las membranas celulares. Además, tales condiciones provocaron que el contenido de humedad de la semilla se triplicara, de 5.7 a 15.2%, lo que se atribuye a que tales condiciones de almacenamiento cambiaron el equilibrio higroscópico de la semilla, como señalaron Copeland y McDonald (2001).

De acuerdo con la FAO (1991), la semilla con 10 a 12% de humedad puede permitir el desarrollo de hongos en sus tejidos y cuando tiene de 18 a 20% puede calentarse, debido a una tasa rápida de respiración y liberación de energía, tanto de la propia semilla como de los microorganismos que en ella proliferen. En este experimento la respiración de las semillas al final del almacenamiento fue más baja que en los demás tratamientos, probablemente porque en estas condiciones ambientales el deterioro de tejidos había reducido la capacidad metabólica. Como consecuencia de la pérdida de solutos y de la elevación del contenido de humedad en las semillas, éstas resultaron deterioradas.

Estos resultados indican que estas condiciones de temperatura y humedad relativa (23 °C y 81% de humedad relativa) pueden servir para medir el vigor de semillas de tomate de cáscara, o para inducirles deterioro mediante envejecimiento acelerado. En pepino (Cucumis sativa L.), la pérdida de viabilidad de semillas envejecidas a 38 °C y 100% humedad relativa, estuvo asociada con aumento de la CE y peroxidación de lípidos de la membrana (Smith y Berjak, 1995). El aumento en CE se considera evidencia de un incremento en la permeabilidad de las membranas celulares de la semilla, que conduce a la pérdida de su integridad fisiológica o física. Según Bradford y Nonogaki (2007), el deterioro de las membranas en semillas se debe a una disminución de fosfolípidos, carbohidratos y proteínas, así como a la reducción en la actividad de la peroxidasa, durante el secado en la maduración.

Efecto del estado de desarrollo de la semilla

En cuanto al estado de desarrollo de la semilla (Cuadro 3), se observó que las semillas inmaduras de 45 días ya poseen capacidad de germinar, aunque 10% menos que la semilla madura de 55 ó 65 días de edad; además, la semilla inmadura también mostró menor vigor que las semillas maduras, ya que presentó valores menores de velocidad de emergencia de radícula y parte aérea, así como de tasa respiratoria. Esto coincide parcialmente con Martínez et al. (2004), quienes indicaron que el mayor porcentaje de germinación en semillas de tomate de cáscara, se alcanza a los 63 días pospolinización. Un comportamiento similar también fue observado por Modi y White (2004) en semillas de tomate Cherry, cuya germinación evolucionó de 5, 38, 68 y 72%, a 14, 28, 42 y 56 días pospolinización, respectivamente. Por tanto, sólo hasta después de los 45 días la semilla puede ser extraída del fruto para lograr alta germinabilidad (>74%).

La germinación y la viabilidad fueron iguales en las cosechas a los 55 y 65 DPP, edades en las que tampoco hubo diferencias significativas en conductividad eléctrica y contenido de humedad de la semilla. Se puede inferir entonces que las semillas del tomate de cáscara, alcanzan la madurez dentro del fruto a los 55 días después de la polinización; es decir, el fruto se puede cosechar a los 55 días de edad para fines de extracción de semilla. Sin embargo, debe considerarse que el contenido de humedad aquí reportado no es el del momento de cosecha, sino después de secar al ambiente.

Efecto del periodo de almacenamiento

En cuanto al efecto del tiempo de almacenamiento (Cuadro 4), se observó que en comparación con la semilla recién cosechada el almacenamiento de 4 y 8 meses causó deterioro de la semilla, pues la germinabilidad se redujo en 3 3 y 22%y la viabilidad en 16 y 21 %. Durante el almacenamiento la semilla también duplicó la conductividad eléctrica de 26.6 a 58 µS cm-¹g-¹ y elevó su contenido de humedad de la semilla de 5.4 a 7.5-7.9%. El hecho de prolongar el almacenamiento de 4 a 8 meses causó abatimiento de la germinación, la viabilidad, la velocidad de emergencia de radícula y respiración, pero no afectó la velocidad de emergencia de la parte aérea.

Las tasas de respiración decrecieron conforme se prolongó el periodo de almacenamiento (Cuadro 4). Dichas reducciones coinciden con los decrementos en germinación y vigor discutidas anteriormente, lo que sugiere que durante el envejecimiento también se afectaron las mitocondrias y su función respiratoria, con las consecuentes reducciones en la producción de la energía necesaria, para la elongación del eje embrionario, como también señalaron Cruz et al. (2003) en semillas envejecidas de maíz (Zea mays L.).

Efecto de la interacción entre ambientes y periodo de almacenamiento

Como se indicó antes, solamente la interacción entre ambientes y periodos de almacenamiento, tuvo efectos importantes en el desempeño de las semillas (Cuadro 5).

Estos resultados permiten confirmar que fue la combinación de un ambiente (23.8 °C y 81.4% humedad relativa) y 8 meses de almacenamiento, la que causó deterioro en la semilla de tomate de cáscara, deterioro que se reflejó en reducciones severas de: capacidad germinativa, viabilidad, tasa de respiración, velocidad de emergencia de parte aérea y de radícula. Dicho deterioro estuvo asociado con daños en las membranas celulares, puesto que el agua de imbibición presentó una mayor conductividad eléctrica, ésta debida a la pérdida de solutos por la semilla.

Conclusiones

Una alta humedad relativa del ambiente de almacenamiento (80%) causa deterioro en la semilla de tomate de cáscara, cuando se combina con una alta temperatura (23 °C), pero no en combinación con una baja temperatura (5 °C). Tal deterioro provoca disminución en viabilidad, germinación y tasa de respiración de la semilla, así como triplica la humedad de la semilla (15 %) y la pérdida de solutos por lixiviación medida por el aumento en la conductividad eléctrica de la solución de imbibición. Por ello se considera que un signo temprano de envejecimiento de la semilla, es la disminución significativa de su tasa respiratoria y el envejecimiento de las membranas.

A los 55 días después de la polinización la semilla de tomate de cáscara se puede considerar fisiológicamente madura, edad en la que alcanza una germinación promedio de 70%, al igual que la semilla de 65 días. A los 45 días la semilla ya posee capacidad de germinar, aunque lo hace produciendo plantas de menos vigor y con 10% menos de germinación que la semilla madura.

El almacenamiento de las semillas de tomate de cáscara, puede prolongarse por 8 meses sin pérdida de germinabilidad si se almacena en cuarto frío a 5 °C o en baja humedad relativa (20%). En cambio, si se almacena en alta humedad (80%) y alta temperatura (23 °C), la semilla se deteriora y sufre pérdidas en viabilidad, germinación y vigor.

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