Material vegetal y tratamientos de irradiación

Se utilizaron semillas de la variedad Pachequeño, provenientes de la cosecha del ciclo agrícola 2022 en Los Mochis, Sinaloa, México. Los tratamientos consistieron en dosis crecientes de radiación gamma ⁶⁰Co: 0, 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 y 600 Gy, en muestras de mil semillas con 10 % de humedad. La irradiación se realizó en un irradiador (LGI-01, Transelektro, Holding Ltd, Budapest, Hungría) ubicado en Ocoyoacac, Estado de México.

Manejo y diseño experimental

La germinación de las semillas irradiadas y las testigos fueron en condiciones de invernadero tipo túnel, con cubierta de polietileno UVII-720 y estructura de acero galvanizado, con ventilación lateral en Montecillo, Texcoco, Estado de México en septiembre de 2023. La siembra se realizó en charolas plásticas de 200 cavidades, depositando dos semillas por cavidad, se usó arena como sustrato, y se regaron manualmente con agua de la llave con pH 7.5 y conductividad eléctrica de 0.65 dS m^-1. Los tratamientos se distribuyeron en un diseño experimental completamente al azar, con cinco repeticiones, utilizando 20 semillas por unidad experimental.

Variables evaluadas

A los 6 días después de la siembra (dds), se determinó la variable porcentaje de germinación (PG) con la fórmula:

La velocidad de emergencia (VE) se determinó mediante conteos de plántulas emergidas a partir del día 1 hasta los 16 dds, considerando como emergidas las plántulas cuyos cotiledones estaban por encima de la superficie del sustrato, como se describe en la ^{ISTA (2013)} para el cultivo de ajonjolí. Para determinar la velocidad de emergencia se consideró la fórmula de ^{Maguire (1962)}:

La supervivencia de plántulas (PS) se evaluó a los 16 dds con la fórmula:

Trascurridos 30 días después de la siembra, a las plántulas se les midió la altura (cm) y longitud de raíz (cm); para ello, se seleccionaron seis plántulas al azar por cada unidad experimental. El primer carácter se midió de la base de la raíz hasta el ápice del tallo, y el segundo, desde el cuello hasta el extremo de la raíz primaria. La dosis letal se calculó contabilizando la cantidad de plántulas muertas en el período de tiempo establecido y se determinó como la dosis de radiación que eliminó al 50 % de los individuos.

Análisis estadístico

Los datos fueron analizados mediante el procedimiento de modelos lineales generalizados (GLM) utilizando el paquete estadístico SAS versión 9.4 ^{(SAS Institute, 2011)}. Se realizó análisis de varianza de una vía para cada variable evaluada y la comparación de medias de los tratamientos se realizó mediante la prueba de Tukey (P ≤ 0.01). Para el caso de las variables cuyas unidades fueron porcentajes (germinación y supervivencia), antes de realizar el análisis de varianza se realizó una transformación arcoseno de la raíz cuadrada del porcentaje correspondiente, y las medias se reportan en las unidades originales. Se realizó también análisis de componentes principales y se graficó la dispersión de las diferentes dosis sobre el plano determinado para los dos primeros componentes, permitiendo visualizar de manera global el efecto de las dosis sobre el establecimiento inicial.

Para determinar la dosis letal media (DL₅₀) se utilizó un modelo de regresión lineal y cuadrática con la información de supervivencia, a fin de estimar el mejor ajuste de acuerdo con la menor probabilidad del error (p-value) y valorar la mortalidad.

Germinación y supervivencia

La irradiación de la semilla con rayos gamma ⁶⁰Co causó un efecto tanto estimulatorio como de inhibición de la germinación de las plántulas, según la dosis aplicada. De acuerdo con la prueba de Tukey, las dosis intermedias de 100, 150, 200 y 250 Gy tuvieron un efecto positivo de radioestimulación (92.0, 91.0, 92.0 y 95.0 %, respectivamente) con respecto al testigo (69.0 %), caso contrario a las dosis altas de 500, 550 y 600 Gy, donde se observó un declive significativo de la germinación, registrando el 10.0 % con la dosis más alta (Cuadro 2).

Los tratamientos presentaron valores aceptables de supervivencia de plántulas, los cuales oscilaron entre 82 y 100 %, mientras que el testigo presentó 93 %, con diferencia mínima de 7 % respecto a la dosis de 300 Gy, que mostró el 100 % de supervivencia. En el Cuadro 2 se observa una tendencia decreciente en la supervivencia de las plántulas (72, 72 y 40 %) con dosis de 500, 550 y 600 Gy, las cuales también mostraron un lento desarrollo y escaso sistema radicular, lo que no permitió el desarrollo óptimo de las plántulas. Los efectos también podrían visualizarse a nivel morfológico, bioquímico, fisiológico y biofísico, donde la magnitud del cambio depende en gran medida de la exposición, dosis, suelo, manejo agrícola y otros factores ambientales ^{(Ahuja et al., 2014)}.

Los resultados de germinación de este estudio coinciden con lo reportado por ^{Antúnez-Ocampo et al. (2022)}, quienes indicaron que la irradiación con rayos gamma ⁶⁰Co mejoró la germinación de la semilla, la supervivencia y vigor de plántulas de Echinocactus platyacanthus, mientras que ^{Kiong et al. (2008)} indicaron que la tasa de germinación de las semillas depende del nivel de daño cromosómico causado por dosis crecientes de radiación; además, ^{Kim et al. (2004)} mencionaron que el daño se acentúa debido a que las radiaciones reducen la presencia de reguladores del crecimiento, como las citocininas, las cuales disminuyen o no se sintetizan, aumentando así la sensibilidad de la planta.

Por otra parte, en las Figuras 1 A-N se puede observar que a los 5 dds se presentó un equilibrio de la germinación en etapa más temprana con la dosis de 200 Gy, pero a los 6 dds fue con las dosis de 100, 150 y 250 Gy, mientras que el testigo mostró equilibrio a los 7 dds, al igual que 50 y 350 Gy. Las dosis altas que van de 400 a 600 Gy transcurrieron de ocho a los 12 dds. En la dosis de 300 Gy se presentó una germinación estadísticamente igual a la del testigo y de los tratamientos de dosis bajas.

Figura 1 Efecto de diferentes dosis de irradiación gamma ⁶⁰Co sobre porcentaje de germinación (Pgerm) y porcentaje de germinación ajustada (PgermA) en semillas de ajonjolí. Dosis de 0, 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300 350, 400, 450, 500, 550 y 600 Gy. 

^{Canul-Ku et al. (2012)}, al aplicar rayos gamma ⁶⁰Co en semillas de nochebuena silvestre (Euphorbia pulcherrima Willd. ex Klotzsch), observaron que dosis de 50 a 275 Gy disminuyeron el porcentaje de emergencia (30 a 70 %) en comparación con el testigo; por el contrario, ^{Corazon-Guivin et al. (2023)} indicaron que la radiación gamma no afectó la germinación de las semillas de Plukenetia volubilis, a pesar de que aplicaron dosis mayores de 500 Gy. Por su parte, ^{Olasupo et al. (2016)} señalaron que la germinación de algunas especies como Oryza sativa, Triticum spp., Solanum tuberosum y Phaseolus vulgaris tiende a disminuir conforme aumenta la radiación, ya que se inhiben funciones vitales para las células por el contenido de humedad de la semilla, debido a que la radiación ionizante provoca la ruptura de enlaces covalentes y la descomposición de moléculas de agua. Debido a estos desórdenes, se ha observado que la semilla irradiada con dosis altas no es capaz de germinar, como mencionaron ^{Marcu et al. (2013)} en maíz, ya que las plántulas no sobrevivieron más de ocho días. Esto se relaciona con lo observado en este estudio con 600 Gy (Figura 1N); sin embargo, ^{Urrea y Ceballos (2005)} indicaron que las dosis que reducen la supervivencia y el crecimiento al 50 % con respecto al testigo, son aquellas con las que se obtiene la mayor cantidad de mutaciones. Otros autores mencionan que la dosis óptima debe llevar a la supervivencia de 40 a 60 % del material tratado con respecto del no tratado ^{(Corazon-Guivin et al., 2023}; ^{Díaz, 2020)}.

Velocidad de emergencia

La velocidad de emergencia es un indicador confiable del vigor de las semillas que proporciona información detallada sobre la rapidez y uniformidad de la germinación de los tratamientos. De acuerdo con el índice de ^{Maguire (1962)} y la prueba de Tukey, las dosis intermedias (100, 150 y 200 Gy) fueron superiores al testigo, mientras que con las dosis de 250 a 450 la velocidad de germinación disminuyó igualando al testigo, y después de 450 Gy las dosis fueron inferiores al testigo. La dosis de 300 Gy mostró un comportamiento muy singular, pues a pesar de que obtuvo la mayor supervivencia (100 %), el vigor de la semilla fue reducido, incluyendo la velocidad de emergencia (Cuadro 2).

Los resultados obtenidos podrían ser considerados en los programas de mejoramiento genético, pues el establecimiento es una etapa crítica en el cultivo de ajonjolí, y se ha demostrado que plántulas con mayor vigor posteriormente presentan características sobresalientes de área foliar, peso seco y longitud de raíz ^{(Maguire, 1962)}. Algunos autores indican que dosis de 100 a 250 Gy, consideradas como moderadas y aplicadas en Physalis peruviana y chía negra, inducen respuestas positivas en emergencia y vigor en las semillas ^{(Antúnez-Ocampo et al., 2017}; ^{Díaz, 2020)}; por el contrario, dosis mayores de 300 Gy disminuyen esta respuesta ^{(Antúnez-Ocampo et al., 2022}; ^{Gálvez-Marroquín et al., 2023}; ^{González y Nakayama, 2015)}, lo cual está asociado con inhibición de funciones celulares como síntesis de proteínas y actividad enzimática ^{(Olasupo et al., 2016)}.

Altura de plántula

El análisis de varianza detectó diferencias significativas (P ≤ 0.0001) en la altura de plántula a los 30 dds por efecto de dosis de irradiación. Se identificaron dos grupos, el primero con dosis menores de 450 Gy, cuyos resultados en altura de plántula fueron superiores e igualaron estadísticamente al testigo, mientras que el segundo grupo, con dosis de 500, 550 y 600 Gy, ocasionaron afectaciones significativas y originaron plantas de menor tamaño (Cuadro 2). Algunos estudios, como el de ^{Çağırgan (2001)}, revelaron que cuando las semillas de ajonjolí son irradiadas con rayos gamma, la altura de las plántulas puede reducirse notablemente, lo cual depende de la dosis aplicada; aunque las semillas de ajonjolí se consideraron resistentes a la irradiación, se observó una reducción del crecimiento en todas las poblaciones irradiadas a las dosis más altas (600 y 750 Gy), donde las plantas estaban generalmente atrofiadas; en el presente estudio se observaron plántulas con deformaciones en hojas, tallos débiles y raíces de menor desarrollo, malformaciones que se observaron en mayor frecuencia cuando aumentó la dosis aplicada.

Longitud de raíz

Las dosis de 25 a 450 Gy provocaron una estimulación significativa (P ≤ 0.0001) en el desarrollo de la raíz, superando estadísticamente al testigo, con excepción de 350 Gy, que fue inferior (Cuadro 2). A partir de los 500 Gy se observó un declive en la magnitud de la raíz, de manera que las dosis de 500 y 550 Gy fueron semejantes al testigo. Cuando la irradiación se incrementó hasta 600 Gy, la afectación fue severa, ya que el tamaño de la raíz fue dramáticamente inferior al resto de las dosis aplicadas.

La inhibición o disminución del crecimiento de la longitud de plántula y de radícula puede deberse a que la radiación ionizante altera el metabolismo y la división celular ^{(Majeed et al., 2017}; ^{Olasupo et al., 2016)}. En relación a lo anterior, ^{Kiong et al. (2008)} encontraron que la radiación gamma puede disminuir la cantidad de proteínas y compuestos clorofílicos, lo cual afecta el metabolismo de las plantas. Resultados similares reportaron ^{Toker et al. (2005)}, donde radiaciones de hasta 200 Gy aumentaron la longitud de los brotes, pero al aumentar a 400 Gy causaron reducción en la longitud de los mismos. Con respecto a atributos de altura de planta y longitud de raíz, resultados en pasto garrapata (Eragrostis superba) obtenidos por ^{Álvarez-Holguín et al. (2019)} indicaron que éstas disminuyeron con el incremento de la dosis de irradiación, información similar a lo observado en Eleusine coracana L. Gaertn, donde la altura de planta (AP) y la longitud de raíz (LR) se vieron afectadas por el incremento en la dosis de radiación a los 500 Gy para ambas variables ^{(Ambavane et al., 2015)}; así también, ^{Preuss y Britt (2003)} reportaron que la radiación gamma puede inhibir el crecimiento de las plantas, ya que éstas tienen un mecanismo de señales de transducción que monitorea el daño celular y que detiene la división celular al producirse un daño en la estructura de la célula. Al respecto, ^{Melki y Marouani (2010)} concluyeron que dosis bajas, como 20 Gy, estimulan la longitud y el número de raíces entre 18 y 32 %, tal como se obtuvo en el presente estudio para dosis bajas, lo que indica que las oportunidades para selección de plantas con atributos de mejor estructura radicular se encontrarían con dosis menores de 450 Gy. La longitud de la raíz pudiera considerarse como un indicador de radiosensibilidad; bajo esta consideración, ^{Ramírez et al. (2006)} observaron que al aplicar dosis crecientes de rayos gamma en cuatro variedades de Solanum lycopersicum L., las dosis de 5 y 20 Gy incrementaron la longitud de la raíz, y que dosis superiores a los 100 Gy redujeron el crecimiento; así también, la supervivencia comienza a decrecer conforme la dosis aumenta, probablemente por los daños que ocasionan los radicales libres a los diferentes organelos de la célula, e incluso a las moléculas de ADN y a la incapacidad de repararlos, o por el aumento en la tasa de respiración de la planta ^{(Cheng et al., 2010)}.

Componentes principales

El análisis de componentes principales permitió reducir la dimensionalidad de la información y obtener una panorámica sobre las relaciones entre las variables analizadas y su respuesta a las dosis de radiación. Los dos primeros componentes principales (CP1) y (CP2) fueron los más importantes, ya que capturaron el 88.4 % de la varianza total, donde CP1 representa un índice general de crecimiento y vigor y explica por sí solo el 78.3 % de la varianza total, y el CP2 el 10.1 %, lo que significa que con los dos primeros componentes es posible extraer casi toda la información (Cuadro 3).

Con el biplot de los dos primeros componentes principales (Figura 2) se ratificó la variabilidad de respuesta entre las dosis aplicadas y permitió observar dos agrupaciones, CP1 indica que todas las variables tienen una contribución positiva, lo que sugiere que este componente está relacionado con un patrón general que afecta a todas las variables de manera similar; es decir, representa un índice general de vigor. En el CP2 las variables de porcentaje de emergencia y porcentaje de supervivencia tuvieron contribuciones negativas; sin embargo, la velocidad de emergencia tuvo una contribución positiva significativa. Estos resultados permiten orientar líneas de investigación relacionados con la aplicación de radiación gamma ⁶⁰CO como alternativa para inducir variabilidad en programas de mejoramiento. Se observa claramente que las dosis de 100 a 450 Gy, consideradas en este estudio como intermedias, tienen un efecto positivo para germinación y vigor. Estos resultados coinciden con los obtenidos por ^{Mussi et al. (2016)}, quienes concluyeron que las modificaciones fenotípicas de mayor utilidad, generadas por los tratamientos con irradiación de ajonjolí en dosis de 300 y 400 Gy consisten en incrementos en la pubescencia de hojas, tallos y frutos, además de que pueden contribuir a la mejora de la resistencia a enfermedades virales.

Figura 2 Biplot de las variables evaluadas sobre el plano determinado por los dos primeros componentes principales. 

Dosis letal media

Al considerar la curva de tendencia de la variable mortalidad (complemento de supervivencia) mediante modelos de regresión (Figura 3), se estimó la dosis letal media DL₅₀ en 605.5 Gy de radiación gamma de ⁶⁰Co mediante el modelo cuadrático que se muestra en el Cuadro 4, por ser el de mejor ajuste. Los resultados obtenidos en la variedad Pachequeño sugieren que con dosis bajas (25 a 300 Gy) se puede obtener variantes morfológicas de interés agroindustrial, favoreciendo la selección en menor tiempo al inducir mutaciones efectivas en ajonjolí variedad Pachequeño (Figura 3). Lo anterior coincide con lo reportado por ^{Muhamad et al. (2018)}, quienes indicaron que las dosis de 250 a 500 Gy fueron eficaces para lograr una mutación viable en ajonjolí. En este mismo sentido, ^{Diouf et al. (2010)} mencionaron que 300 y 400 Gy originaron mutaciones favorables para cápsulas cerradas, hábito de ramificación, tipos de floración, y número y forma de cápsulas en ajonjolí.

Figura 3 Mortalidad de plántulas de ajonjolí al 50 % en función de dosis de radiación gamma 60Co. Se muestran datos directos (P_Mort) y valores ajustados (P_MortA) al modelo cuadrático.