Germinación y crecimiento de plántulas de Phaseolus vulgaris L. en condiciones de salinidad*

Germination and seedling growth of Phaseolus vulgaris L. in saline conditions

Álvaro Can Chulim^1§, Leobarda Guadalupe Ramírez Guerrero¹, Héctor Manuel Ortega Escobar², Elia Cruz Crespo¹, David Flores Román³, Edgar Iván Sánchez Bernal⁴ y Alberto Madueño Molina¹

¹ Unidad Académica de Agricultura-Universidad Autónoma de Nayarit. Carretera Tepic-Compostela km 9, C. P. 63780, Xalisco, Nayarit, México. (leo.ram89@hotmail.com; ccruzc2006@yahoo.com.mx; albertomad2008@gmail.com). ^§Autor para correspondencia: canchulim@yahoo.com.mx.

³ Instituto de Geología- Universidad Nacional Autónoma de México. (davidf@unam.mx).

⁴ Instituto de Ecología-Universidad del Mar. Tel: 045 3111 540127. (edgarivansb@zicatela.umar.mx).

* Recibido: enero de 2014
Aceptado: marzo de 2014

Resumen

El frijol es sensible a la salinidad. En México en el ciclo otoño-invierno, la producción del frijol se realiza en condiciones de humedad residual. En estas condiciones los problemas de salinidad se incrementan y se manifiesta en la reducción del porcentaje de germinación, el crecimiento aéreo y subterráneo y el rendimiento. Los grados de afectación son diferentes entre variedades. En ésta investigación, realizada en Nayarit en 2012 en invernadero a una temperatura de 28.1 °C, se evaluó la respuesta fisiológica a la salinidad, inducida con cloruro de sodio, de tres variedades de frijol de mayor producción en Nayarit en la etapa de germinación y plántula. El diseño experimental fue completamente al azar empleando tres repeticiones por tratamiento. La germinación del frijol Pinto se redujo 54.7% a 9 dS m^-1 y el frijol Azufrado 30.3%. En plántula, la diferencia de longitud de tallo entre el testigo (T₀) y el tratamiento más alto (T₆) fue de 2.4, 4 y 3.2 cm para el frijol Negro, Pinto y Azufrado, respectivamente. La diferencia en longitud de raíz entre T₀ y T₆, fue de 13.1, 13.4 y 12.1 cm para el frijol Negro, Pinto y Azufrado, respectivamente. Conforme la conductividad eléctrica se incrementó la tasa de germinación disminuyó. El frijol Azufrado fue el más resistente y el Pinto el más afectado. La longitud de tallo, el peso fresco y peso seco de la plántula disminuyó y el diámetro de tallo incrementó. La longitud, peso fresco y peso seco de la raíz disminuyó gradualmente.

Palabras clave: cloruro de sodio; frijol Negro, Pinto y Azufrado.

Abstract

Beans are sensitive to salinity. In Mexico in the autumn-winter cycle, bean production is performed under conditions of residual moisture. Under these conditions, salinity problems are increased and are reflected in the reduction in the percentage of germination, growth and underground and aerial performance. The levels of damage are different between varieties. In this research, conducted in Nayarit in 2012 in a greenhouse at a temperature of 28.1 °C, the physiological response to salinity induced with sodium chloride, three bean varieties of higher production in Nayarit in the germination stage and seedling was evaluated. The experimental design was completely randomized using three replicates per treatment. Pinto bean germination decreased 54.7% to 9 dS m^-1 and beans Azufrado 30.3%. In seedlings, the stem length difference between the control (T₀) and the highest treatment (T₆) was 2.4, 4 and 3.2 cm for the Negro, Pinto and Azufrado respectively beans. The difference in root length between T₀ and T₆, was 13.1, 13.4 and 12.1 cm for the Negro, Pinto and Azufrado respectively beans. It as the electrical conductivity increased germination rate decreased. The Azufrado beans were the toughest and the most affected Pinto. The stem length, fresh weight and dry weight of seedling decreased and increased stem diameter. The length, fresh weight and dry root weight decreased gradually.

Keywords: sodium chloride; Negro, Pinto and Azufrado beans.

Introducción

México ocupa el quinto lugar en producción de frijol a nivel mundial (Reyes et al., 2008). La mayor producción es utilizada para consumo nacional, incluso presenta déficit en su balanza comercial. Con el tratado de Libre Comercio de América del Norte las importaciones aumentarán por la competitividad en los precios que hacen más conveniente comprar el frijol proveniente de otros países (AMSDA, 2011).

El frijol en México se produce en los ciclos agrícolas primavera-verano y otoño-invierno. El ciclo otoño-invierno se realiza bajo condiciones de humedad residual, con mayores rendimientos en el estado de Nayarit y Sinaloa (Campomexicano, 2005). Bajo éstas condiciones de humedad los efectos de la salinidad incrementan, porque la concentración salina aumenta y las sales de menor solubilidad precipitan (Miyamoto y Pingitore, 1992). Se ha demostrado que una de las sales que permanece en las soluciones salinas de los suelos bajo condiciones de humedad residual es el cloruro de sodio, por su alta solubilidad (Ayers y Westcot, 1987).

El frijol es sensible a las condiciones salinas y el rendimiento se reduce a partir de una conductividad eléctrica de 2 dS m^-1 (Subbarao y Johansen, 1994). Mass y Hoffman (1977) demostraron que hasta una conductividad eléctrica de 1 dS m^-1 se obtiene 100% de rendimiento de grano y una de 6.3 dS m^-1 disminuye hasta 0%. Strogonov (1964) y Mass (1990), mencionaron como efecto más común de la salinidad, el retraso general del crecimiento de la planta; cuando la concentración de sales aumenta, arriba del nivel límite, la velocidad del crecimiento y el tamaño de la mayoría de las especies decrecen progresivamente. Se ha demostrado que concentraciones altas de sales afectan la etapa y tasa de germinación, longitud del tallo, ramificación y tamaño de las hojas (Gutiérrez et al., 2005; Gama et al., 2007). La variabilidad de la respuesta se amplía más entre especies y variedades (Kaymakanova, 2009).

Altas concentraciones de cloruro de sodio afectan la germinación y crecimiento del frijol. Los grados de afectación son diferentes entre variedades. En ésta investigación se evaluó la respuesta fisiológica a la salinidad inducida con cloruro de sodio de tres variedades de frijol de mayor producción en el estado de Nayarit en las etapas de germinación y plántula.

Materiales y métodos

En esta investigación se trabajó con las variedades de frijol Negro Jamapa, Azufrado y Pinto en condiciones de invernadero en el año 2012, en el ciclo primavera - verano, en la Unidad Académica de Agricultura de la Universidad Autónoma de Nayarit (UAN), ubicada entre los 21° 25' 40.88'' latitud norte y 104° 53' 29.54'' longitud oeste, a una altitud de 974 m.

En macetas de color negro de 500 mL con agrolita como sustrato se sembraron 10 semillas de frijol a un centímetro de profundidad. Previo a la siembra se aplicó el riego con agua destilada, testigo (T₀) y soluciones salinas (Tratamientos T₁...Tn_n). El agua destilada y soluciones salinas se agregaron al 60% (300 mL) del peso total del volumen de la maceta, promediando el volumen de las repeticiones. Una vez vertida la solución (agua destilada o solución salina), las macetas se pesaron diariamente para poder agregar agua destilada que correspondió al agua que se evapotranspiró. La concentración de la sal quedó intacta.

Germinación-plántula. La etapa de germinación se consideró terminada cuando apareció sobre la agrolita el hipocotilo junto con los cotiledones y la de plántula cuando visiblemente se notó el efecto de la concentración de NaCl (a partir de la primera hoja trifoliada).

Tratamientos. La concentración de las soluciones salinas de NaCl variaron de acuerdo con las gráficas de tolerancia de los cultivos de Mass y Hoffman (1977), del porcentaje de rendimiento relativo (Y) con respecto a la concentración de las soluciones salinas CE (X), los cuales disminuyen el rendimiento en: 0% (T₀), 0% umbral (T₁), 25% (T₂), 50% (T₃), 75% (T₄) y 100% (T₅), además de incluir un valor extremo exploratorio de 150% (T₆), resultando en siete niveles de salinidad cuyas CE teóricas fueron: T₀= 0 dS m^-1 (0.0 mM); T₁= 1 dS m^-1 (11 mM); T₂= 2.3 dS m^-1 (25 mM); T₃= 3.6 dS m^-1 (39 mM); T₄= 5 dS m^-1 (55 mM); T₅= 6.3 dS m^-1 (69 mM) y T₆= 9 dS m^-1 (99 mM).

Preparación de soluciones. La cantidad de sal en los tratamientos, se calculó mediante la aplicación de las ecuaciones propuestas por el Laboratorio de Salinidad de los Estados Unidos (Richards, 1990).

mg L^-1 = 640 (CE)

Donde: mg L^-1= es la concentración de las sales en solución; CE= es la conductividad eléctrica de la solución (dS m^-1 a 25 °C).

Para fines de cálculo se consideró que 0.640 g de sal genera una conductividad eléctrica de 1.0 dS m^-1.

Y = 100 - b (CEs - Su)

Donde: Y= es el rendimiento potencial en %; CEs= es la conductividad eléctrica de la solución en dS m^-1; Su= es la salinidad umbral en dS m^-1; b= es la disminución del rendimiento por aumento unitario de salinidad.

Diseño experimental. El diseño experimental utilizado fue completamente al azar, con tres repeticiones, con un arreglo factorial A x B, donde A fue la variedad y B la solución de NaCl, haciendo un total de 63 unidades experimentales. Como unidad experimental se consideró una maceta, la cual contenía 10 semillas germinadas o cinco plántulas.

Variables evaluadas. La evaluación del porcentaje de germinación se realizó diariamente. En la etapa de plántula se registraron cada tercer día altura y diámetro del tallo y al término del experimento se determinó el peso fresco y peso seco del vástago y la raíz.

Análisis de resultados. Se realizó un análisis de varianza y comparación de medias por Tukey (p≤0.05) con el programa Statistical Analysis Systems (SAS, 2009).

Resultados y discusión

El análisis de varianza (Cuadro 1) indica diferencias altamente significativas en la germinación, longitud de tallo y longitud de raíz debido al incremento en las concentraciones de NaCl expresadas como conductividad eléctrica. Así también, se encontró interacción altamente significativa entre la conductividad eléctrica-variedad para las variables mencionadas.

Germinación

Los resultados obtenidos de la germinación (Cuadro 2) indican que el frijol Negro tuvo una reducción de 34% a una conductividad eléctrica de 6.3 dS m^-1 (establecido como límite de tolerancia por Mass y Hoffman en 1977) y 48.4% a una conductividad de 9 dS m^-1 (Sánchez et al., 2008). El frijol Pinto fue la más afectada, la germinación se redujo 41.7% a 6.3 dS m^-1 y 54.7% a 9 dS m^-1. El frijol Azufrado fue la más tolerante a la salinidad, la germinación se disminuyó 25.3% a 6.3 dS m^-1 y en 30.3% a 9 dS m^-1 (Cuadro 3).

La germinación del frijol Pinto es afectado notablemente después de una concentración de 1 dS m^-1 (0.640 g L^-1), el Negro y el Azufrado después de 3.6 dS m^-1 (2.3 g L^-1).

Taffouo et al. (2009) encontraron que la germinación del frijol es afectado desde 3 g L^-1 de NaCl (4.7 dS m^-1) pero no definen la variedad que utilizaron.

En general, conforme la concentración de NaCl se incrementó la tasa de germinación disminuyó (Cuadro 2). Estudios realizados, como los de Madueño et al. (2006); Taffouo et al. (2009) y Kaymakanova (2009) demuestran la misma tendencia, a mayor concentración salina menor porcentaje de germinación.

La elevada concentración salina del medio de germinación disminuye el potencial hídrico y por lo tanto reduce la disponibilidad de agua necesaria para imbibición que requiere las semilla para germinar (Kaymakanova et al., 2008). Se ha demostrado que a mayor concentración de sales menor potencial osmótico e hídrico y por tanto la semilla tiene que realizar procesos de ajustes osmóticos para poder superar el potencial del medio en el que está inmersa y así germinar; de lo contrario, si no logra superar el estrés del medio se deshidratará.

Parte aérea

Bahena et al. (2008) y Khadri et al. (2007) mencionan que bajo condiciones de estrés salino las plantas realizan ajustes metabólicos, crean condiciones de resistencia. Al realizar estos ajustes, las plantas emplean todos los elementos necesarios para su crecimiento para desarrollarse metabolitos que le permitan generar potenciales osmóticos mayores al medio en el cual se encuentran inmersos; disminuyendo por tanto, su crecimiento. Estos metabolitos se generan a partir de la acumulación de solutos orgánicos compatibles (carbohidratos solubles, aminoácidos, prolina y betaína), de iones inorgánicos o de ambos (Bahena et al., 2008).

Se observó un incremento en el diámetro del tallo de la plántula de frijol a mayor concentración de NaCl (Figura 1). Para el frijol Negro se obtuvo una diferencia de 1.33 mm entre el testigo y la conductividad eléctrica más alta. Para el Pinto 1.66 y el Azufrado 1.88 mm.

Estudios como los realizados por Scholberg y Locascio (1999) y Beckmann et al. (2008) indican una disminución en el diámetro del tallo del frijol conforme se incrementa la concentración de NaCl. Bahena et al. (2008) en una investigación sobre el frijol encontraron que los potenciales hídrico y osmótico disminuyen conforme se intensifica el agobio salino, pero el ajuste osmótico permite que la turgencia celular se mantenga o aumente.

Los datos del peso fresco de las plántulas indican que conforme se incrementó la concentración salina el peso fresco disminuyó (Figura 2). La diferencia entre el testigo y el tratamiento más alto fue de 0.29, 0.30 y 0.18 g para el frijol Negro, Pinto y Azufrado, respectivamente. Ciftci et al. (2011) encontraron diferencias en peso fresco entre variedades comparando el testigo con la concentración salina de 50 mM a base de NaCl.

Se observó una disminución paulatina del peso seco (Figura 3). La diferencia entre el testigo y el tratamiento más alto fue de 0.05, 0.03 y 0.05 g para el frijol Negro, Pinto y Azufrado, respectivamente. Taffouo et al. (2009) encontraron que el peso seco se reduce notablemente a partir de 50 mM de NaCl, debido al estrés osmótico y al efecto de los iones específicos Cl^- y Na⁺.

Parte subterránea (raíz)

En este estudio con variedades de frijol sensibles a la salinidad, se encontró que la longitud y la biomasa radical disminuyen gradualmente conforme se incrementa la salinidad (Cuadro 2, Figura 4 y 5). Resultados similares fueron encontrados por Gama et al. (2007) y Taibi et al. (2011).

En tubérculos de papa Sánchez et al. (2008) encontraron que la tendencia de la raíz ante una elevada concentración salina es la elongación con el fin de localizar horizontes del suelo menos salinos.

La diferencia en longitud de raíz entre el testigo (T₀) y el T₆, fue de 13.1, 13.4 y 12.1 cm para el frijol Negro, Pinto y Azufrado, respectivamente (Cuadro 3). La longitud de la raíz disminuyó notablemente después de la concentración de 3.6 dS m^-1 (Cuadro 2) y mostró raíces adventicias con raíz principal de poca longitud a la concentración de 9 dS m^-1. La explicación a estos resultados es que la raíz también se convierte en órgano de reserva, acumula biomasa para generar potenciales menores al medio salino, inhibiendo su crecimiento (expansión y elongación) a causa del estrés provocado por las condiciones salinas (Pratap y Sharma, 2010).

La explicación de algunos autores sobre la elongación radical como mecanismo de búsqueda de espacios menos salinos es entendible desde el punto de vista que la planta se encuentra en un horizonte salino superficial del suelo en donde es posible que la acumulación salina se debe a las sales contenidas en el agua de riego y que el suelo no sea de origen salino o que sean plantas tolerantes al tipo de sal.

Los resultados de esta investigación indican que la biomasa de la raíz disminuye a mayor concentración salina. Esto se explica por dos causas, la primera por el ajuste osmótico que la planta tiene que realizar para tolerar al estrés salino y poder disponer del agua que requiere para sobrevivir; y la otra es que, en un medio salino, sustrato o suelo, donde se mantienen una humedad constante, mediante el riego o por lluvia natural, las sales tienden a permanecer en las capas más profundas y por tanto las raíces disminuyen su longitud activando un mecanismo que les permite el brote de raíces adventicias, características encontradas en las raíces a concentraciones de 6.3 y 9 dS m^-1. Dichos comportamientos fueron reportados por Rogers y West (1993) en trébol en condiciones salinas.

En esta investigación se encontró que los valores de las variables medidas en el testigo a base de agua destilada (0.0 mM) son menores al tratamiento uno (11 mM de NaCl). Bahena et al. (2008) encontraron que el número de hojas, área foliar y biomasa de Phaseolus spp. fue mayor en el testigo (0.0 mM NaCl) que en el primer tratamiento a base de NaCl (30 mM de NaCl). Investigaciones con rangos más amplios entre el testigo y el primer tratamiento no reflejan las diferencias encontradas en esta investigación.

Conclusiones

Conforme la conductividad eléctrica se incrementó la tasa de germinación decreció. El frijol Azufrado fue la más resistente y el Pinto el más afectado.

La longitud de tallo, el peso fresco y peso seco de la plántula disminuyó conforme amplió la conductividad eléctrica y el diámetro de tallo incrementó.

La longitud, peso fresco y peso seco de la raíz se redujo gradualmente conforme se descendió la conductividad eléctrica.

Agradecimiento

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo otorgado a través del programa de Apoyos Complementarios para la Consolidación Institucional de Grupos de Investigación, modalidad Retención (Expediente 168052).

Literatura citada

Asociación Mexicana de Secretarios de Desarrollo Agropecuario (AMSDA). 2011. Plan rector del sistema producto frijol. http://www.amsda.com.mx/PREstatales/Estatales/NAYARIT/PREfrijol.pdf. (consultado enero, 2013).         [ Links ]

Ayers, R. S. y Westcot, D. W. 1987. La calidad del agua y su uso en la agricultura. Estudio FAO Riego y Drenaje 29. Rev. 1. FAO. Roma, Italia. 172 p.         [ Links ]

Bahena, B. L.; Macías, R. L.; López, G. R. y Bayuelo, J. J. S. 2008. Crecimiento y respuestas fisiológicas de Phaseolus spp. en condiciones de salinidad. Rev. Fitotec. Mex. 31(3):213-223.         [ Links ]

Beckmann, C. M. Z.; Lucena, C. I. H.; Ferreira, C. L.; Batista, de S. G.; Batista, dos S. J. and Medeiros, de S. M. do S. 2008. Growth and water consumption of two bean species under irrigation with saline water. Scientia Agraria, Curitiba 9(3):349-355.         [ Links ]

Campomexicano. 2005. Plan rector sistema producto nacional frijol. http://www.campomexicano.gob.mx/portal_siap/Integracion/EstadisticaDerivada/ComercioExterior/Estudios/Perspectivas/Frijol00-05.pdf. (consultado enero, 2013).         [ Links ]

Ciftci, V.; Turkmen, O.; Dogan, Y.; Erdinc, C. and Sensoy, S. 2011. Variation of salinity tolerance in bean genotypes. Afr. J. Agric. Res. 6(10):2394-2402.         [ Links ]

Gama, P. B. S.; Inanaga, S.; Tanaka, K. and Nakazawa, R. 2007. Physiological response of common bean (Phaseolus vulgaris L.) seedlings to salinity stress. Afr. J. Biotechnol. 6(2):079-088.         [ Links ]

Gutiérrez, R. M.; Escalante, E. J. A. and Rodríguez, G. M. T. 2005. Canopy reflectance, stomatal conductance, and yield of Phaseolus vulgaris L. and Phaseolus coccinues L. under saline field conditions. Int. J. Agric. Biol. 7(3):491-494.         [ Links ]

Kaymakanova, M.; Stoeva, N. and Mincheva, T. 2008. Salinity and its effects on the physiological response of bean (Phaseolus vulgaris L.). J. Central Eur. Agric. 9(4):749-756.         [ Links ]

Kaymakanova, M. 2009. Effect of salinity on germination and seed physiology in bean (Phaseolus vulgaris L.). Biotechnol. Biotechnol. Equipment. 23(2):326-329.         [ Links ]

Khadri, M.; Tejera, N. A. and Lluch, C. 2007. Sodium chloride–ABA interaction in two common bean (Phaseolus vulgaris) cultivars differing in salinity tolerance. Environ. Exp. Bot. 60:211-218.         [ Links ]

Maas, E. V. 1990. Crop salt tolerance. In: Tanji, K. K. (Ed.). Agricultural salinity assessment and management. ASCE. New York, USA. 262-304 pp.         [ Links ]

Maas, E. V. and Hoffman, G. J. 1977. Crop salt tolerance - current assessment. J. Irrigation Drainage Div. 103:115-134.         [ Links ]

Madueño, M. A.; García, P. D.; Martínez, H. J. y Rubio, T. C. 2006. Germinación y desarrollo de plántulas de frijolillo Rhynchosia minima (L) DC en condiciones de salinidad. Terra Latinoamericana 24(1):47-54.         [ Links ]

Miyamoto, S. y Pingitore, N. E. 1992. Predicting calcium and magnesium precipitation in saline solutions following evaporation. Soil Sci. Soc. Am. J. 56:1767-1775.         [ Links ]

Pratap, V. y Sharma, Y. K. 2010. Impact of osmotic stress on seed germination and seedling growth in black gram (Phaseolus mungo). J. Environ. Biol. 31(5):721-726.         [ Links ]

Reyes, R. E.; Padilla, B. L. E.; Pérez, V. O. y López, J. P. 2008. Historia, naturaleza y cualidades alimentarias del frijol. Rev. Inv. Cient. 4(3):1-21.         [ Links ]

Richards, L. A. 1990. Diagnóstico y rehabilitación de suelos salinos y sódicos: manual Núm. 60. 6ª (Ed.). Departamento de Agricultura de los EE. UU. Laboratorio de Salinidad. Limusa. México. 172 p.         [ Links ]

Rogers, M. E. and West, D. W. 1993. The effects of rootzone salinity and hypoxia on shoot and root growth in Trifolium Spice. Ann. Bot. 72:503-509.         [ Links ]

Sánchez, B. E.; Ortega, E. M.; Gonzáles, H. V.; Camacho, E. M. y Kohashi, S. J. 2008. Crecimiento de plantas de papa (Solanum tuberosum L.) cv. Alpha, inducido por diversas soluciones salinas. Interciencia 33(9):1-9.         [ Links ]

Scholberg, J. M. S. and Locascio, S. J. 1999. Growth response of snap bean and tomato as affected by salinity and irrigation method. HotScience 34(2):259-264.         [ Links ]

Strogonov, B. P. 1964. Physiological basis of salt tolerance of plants (as affected by various types of salinity). Israel Program for Scientific Translation. Jerusalem, Israel. 279 p.         [ Links ]

Statistical Analysis System (SAS). 2009. SAS User's guide: Statistics. Cary. USA. 584 p.         [ Links ]

Subbarao, G. V. and Johansen, C. 1994. Potential for genetic improvement in salinity tolerance in Legumes: Pigeon Pea. In: Pessarakli, M. (Ed.). Handbook of plants and crop stress. Marcel Dekker, New York. 581-595 pp.         [ Links ]

Taibi, K.; Boussaid, M.; Achir, M.; Taibi, F. and Belkhodja, M. 2011. Evaluation of growth response and water relations of two bean genotypes (Phaseolus vulgaris L.) from Algerian semi-arid regions grown under salt stress. Genetics Plant Physiol. 1(3-4):176-185.         [ Links ]

Taffouo, V. D.; Meguekman, L.; Kenne, M.; Magnitsop, A.; Akoa, A. and Ourry, A. 2009. Salt stress effects on germination, plant growth and accumulation of metabolites in five leguminous plants. Afr. Crop Sci. Conference Proceedings 9:157-161.         [ Links ]