Síntesis y caracterización de partículas yodadas (PI)

Se adicionó 1 mmol de periodato de sodio (NaIO₄) y 1 mmol de iohexol (C₁₉H₂₆I₃N₃O₉) en 200 mL de agua desionizada. La reacción se llevó a cabo utilizando una proporción 1:1 M en un vaso de precipitado con agitación magnética durante 30 min a temperatura ambiente. Después, la muestra se congeló y se liofilizó (A65312906, Labconco™, República Checa) durante 24 h. Posteriormente, se añadieron 10 mL de agua destilada al residuo obtenido, y la mezcla se polimerizó con 0.5 mmol de carbohidrazida. Se agregó una mezcla de 0.002 mmol de amino-polietilenglicol (PEG) y se dejó reaccionar por 24 h sin agitar y a temperatura ambiente. Para detener la reacción, se agregaron 1.6 mmol de borohidruro de sodio y se dejó en reposo por 3 h a temperatura ambiente. Después de esto, la mezcla se congeló durante la noche y se liofilizó de nuevo durante 10 h para obtener las partículas yodadas (^{Hainfeld et al., 2018}). Los productos de reacción se caracterizaron por triplicado mediante un espectrofotómetro FTIR (Thermo Fisher Scientific, EUA) con un escaneo de 650 a 4,000 cm^-1, y mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear de protones (¹H-NMR) en un espectrofotómetro con una sonda de desacoplamiento BBI multinuclear de 5 mm con graduación Z (HD 400 MHz, Bruker Avance III™, EUA), utilizando D₂O como solvente. El diámetro promedio en número (Dn) de las partículas yodadas se determinó mediante dispersión de luz dinámica (Nano-ZS90, Malvern Panalytica, Reino Unido) a 25 °C y ángulo de medición de 90°.

Método de extracción de yodo adaptado a partir de cenizas alcalinas

Se pesó una muestra de 500 mg de PI sintetizadas, así como el tejido vegetal seco y molido (raíz y plúmula) de las plántulas de maíz, de cada repetición y tratamiento. Cada muestra se colocó en un crisol, y se añadieron 2 mL de KOH a 2 M y 1 mL de KNO₃ a 2 M. Posteriormente, se predigirieron en un horno a 100 °C durante 2 h bajo una campana de extracción. Después, los crisoles se colocaron en una mufla a 580 °C por 3 h, y al finalizar, la mezcla se dejó a temperatura ambiente y las cenizas se transfirieron a tubos Eppendorf para extracción con 2 mL de KOH a 2 mM. Los tubos con muestras se centrifugaron a 15,231 × g durante 15 min (R Ediso, Labnet Prism™, EUA). Los sobrenadantes se colectaron cuidadosamente, se colocó 1 mL en un matraz y se agregaron 10 mL de KOH a 2 M. Las muestras se transfirieron a tubos cónicos para su análisis en un espectrómetro de emisión óptica por plasma acoplado inductivamente (ICP‒OES, Agilent 725, EUA) (^{Fischer et al., 1986}).

Material biológico

El maíz híbrido utilizado fue Francisco Márquez, el cual se recolectó en el ciclo otoño-invierno por el Instituto Mexicano del Maíz de la UAAAN. La tasa de germinación de este lote de semillas fue de 100 %.

Prueba de germinación y crecimiento

Se utilizaron cuatro concentraciones de PI para la prueba de germinación (5, 10, 20 y 50 mg∙L^-1). De cada concentración se usaron 10 mL para la imbibición de 50 semillas por 24 h a 28 °C. Después, se retiraron de la solución, se colocaron 10 semillas de cada tratamiento en cajas Petri y se llevaron a la cámara de crecimiento a 28 °C. En cada caja Petri se colocó papel filtro, el cual se mantuvo húmedo con agua destilada para asegurar la disponibilidad de agua de las semillas. El número de semillas germinadas se contó visualmente cada 12 h durante 7 días para determinar la velocidad de germinación. Una semilla se consideró germinada cuando presentaba radícula visible de por lo menos 1 mm de longitud. Después de 7 días se recolectaron, y se midió el peso fresco de las raíces y las plúmulas de cada plántula utilizando una báscula con precisión de 0.01 g. Posteriormente, las plantas se secaron en un horno a 70 °C por 72 h para obtener el peso seco.

Análisis estadístico

Se utilizó un diseño completamente al azar, con cinco tratamientos y cinco repeticiones. Se realizó la prueba de Levene para verificar la homogeneidad de varianza, y la prueba de Shapiro-Wilk para la normalidad. Los resultados se sometieron a un análisis de la varianza y pruebas de rangos múltiples (Tukey, P ≤ 0.05). Para los datos que no se distribuían normalmente, se realizó un análisis no paramétrico de la varianza con la prueba de Kruskal-Wallis utilizando el programa estadístico InfoStat, versión 2020.

Caracterización de las partículas yodadas (PI)

La Figura 1 muestra el espectro FTIR de las PI, así como la estructura general esperada, en la cual se observan los grupos aromáticos que contienen átomos de yodo y están unidos entre sí por cadenas del agente reticulante, así como la presencia de polietilenglicol (PEG) utilizado para recubrir las PI. En la Figura 1c se observan las bandas más representativas, donde destacan las atribuidas a los grupos carbonilo, amidas y dobles enlaces carbono-carbono de los grupos aromáticos.

Figura 1 a) Espectroscopía infrarroja de las partículas yodadas, b) estructura polimérica con grupos triyodobenzeno y grupos funcionales característicos del monómero utilizado (iohexol), así como los grupos hidroxilo, amida y grupos aromáticos (Fuente: ^{Hainfeld et al. [2018]} ) y c) distribución de marcadores importantes en el espectro.  

La Figura 2 muestra el espectro de ¹H-NMR de la fracción soluble al agua de las PI. Algunas señales importantes dentro del espectro se pueden relacionar con grupos funcionales de la estructura esperada de las PI (Figura 2b). Por ejemplo, la presencia de PEG como cobertura fue confirmada por la señal a ( 3.6 ppm, que fue asignada a un grupo éter; asimismo, se observaron señales a ( 8.5 ppm, aproximadamente, atribuidas a los grupos amida, y a ( 1.8 ppm, asociadas con los grupos acetatos de la estructura.

Figura 2 a) Espectroscopía de resonancia magnética nuclear de protones de las partículas yodadas y b) estructura polimérica con grupos triyodobenzeno y grupos funcionales característicos conforme al monómero utilizado (iohexol) (Fuente: ^{Hainfeld et al. [2018]} ). 

La Figura 3 muestra la curva de distribución de los tamaños de las partículas determinados por dispersión de luz dinámica. El diámetro promedio en número (Dn) de las PI fue de 217 nm, con polidispersión de 0.278, razón por la cual las partículas se clasificaron como submicrométricas. La forma de la curva es monomodal y estrecha.

Figura 3 Dispersión de luz dinámica de las partículas yodadas. 

Prueba de germinación y crecimiento

Una vez que las PI se caracterizaron, se probaron como un bioestimulante para la germinación y el vigor de las plántulas de maíz. El porcentaje de germinación no evidenció diferencia estadística significativa entre los tratamientos y el testigo. Lo anterior es positivo, ya que las PI no interfirieron negativamente en el proceso de germinación de las semillas; por el contrario, la concentración adecuada acelera la germinación. Cabe señalar que todos los tratamientos iniciaron su germinación 12 h después de colocar las semillas en las cajas Petri (Figura 4). En función del tiempo, hubo diferencias estadísticamente significativas entre los tratamientos a las 12 y 36 h. Todos los tratamientos alcanzaron el porcentaje final de germinación a las 48 h (Cuadro 1). Es importante mencionar que el pretratamiento tiene el potencial de mejorar la germinación y el establecimiento de la semilla, al iniciar el metabolismo germinativo sin protrusión de la radícula (^{Adhikari et al., 2022}). La germinación de las semillas es uno de los procesos más vulnerables en el ciclo de vida de una planta, ya que influye en el desarrollo y vigor de las plántulas, el cual se ve muy afectado por cambios internos y externos. Además, se ha demostrado que la baja productividad de los cultivos está relacionada con la germinación desigual de las semillas (^{Salehi et al., 2023}).

Figura 4 Curva de germinación de semillas de maíz tratadas con diferentes concentraciones de partículas yodadas. T1 = testigo (agua destilada); T2 = 5 mg∙L^-1; T3 = 10 mg∙L^-1; T4 = 20 mg∙L^-1; T5 = 50 mg∙L^-1. 

En cuanto a la curva de crecimiento del sistema radicular, la emergencia inició al segundo día de la siembra en todos los tratamientos, y el crecimiento de la raíz principal progresó continuamente a lo largo de su desarrollo. Al analizar el patrón de crecimiento de esta variable (Figura 5), se observó un pequeño incremento en el tercer y cuarto día, y para el quinto día el patrón de crecimiento aumentó considerablemente. De manera similar, la plúmula (Figura 6) tuvo lugar al tercer día de la siembra, e incrementó la altura de manera acelerada a partir del quinto día en todos los tratamientos. En ambas variables, el tratamiento cinco presentó un mejor desarrollo, incluyendo al testigo.

Figura 5 Longitud de la radícula de plántulas de maíz tratadas con diferentes concentraciones de partículas yodadas. T1= testigo (agua destilada); T2 = 5 mg∙L^-1; T3 = 10 mg∙L^-1; T4 = 20 mg∙L^-1; T5 = 50 mg∙L^-1. 

Figura 6 Altura de la plúmula de plántulas de maíz tratadas con diferentes concentraciones de partículas yodadas. T1= testigo (agua destilada); T2 = 5 mg∙L^-1; T3 = 10 mg∙L^-1; T4 = 20 mg∙L^-1; T5 = 50 mg∙L^-1. 

Los resultados muestran que el tratamiento cinco (50 mg∙L^-1 de PI) incrementó significativamente la altura y el peso seco de las plúmulas, así como el peso seco de las raíces, en comparación con el testigo y los otros tratamientos. Por lo tanto, el crecimiento de las plántulas se estimuló con la adición de 50 mg∙L^-1 de PI. De acuerdo con los datos reportados en el Cuadro 2, la longitud de la radícula y el peso fresco no difirieron significativamente entre los tratamientos.

Estos resultados concuerdan con experimentos previos realizados en arroz, en los cuales usaron diferentes concentraciones de nanopartículas de óxido de zinc (0, 5, 10, 15, 25 y 50 ppm), y se obtuvieron plantas con aumentos en altura, así como en pesos fresco y seco (^{Waqas-Mazhar et al., 2022}). Del mismo modo, en estudios realizados con semillas de maíz, el uso de diversas técnicas de pretratamiento con diferentes soluciones mejoró significativamente el desempeño de las plantas al incrementar la tasa de germinación, la biomasa de las plántulas y el rendimiento de las semillas. Sin embargo, la respuesta varía con el tipo de solución y las concentraciones (^{Tian et al., 2014}). Los resultados anteriores demuestran que los pretratamientos de semillas estimulan varios puntos de señalización durante la fase temprana de crecimiento, lo cual genera respuestas de defensa más rápidas y eficientes en el cultivo; por lo tanto, tienden a favorecer la sincronización del crecimiento del cultivo al aumentar la biomasa fresca y seca (^{Adhikari et al., 2022}).

Considerando los resultados, e independientemente de la posibilidad de toxicidad por yodo en las plantas, se ha mencionado que bajas concentraciones de yodo aumentan el rendimiento, la producción de biomasa y los parámetros cualitativos de la planta (^{Duborská et al., 2018}; ^{Medrano-Macías et al., 2016}). Por lo tanto, las diferentes concentraciones de PI utilizadas se pueden considerar apropiadas, ya que mejoraron significativamente el crecimiento y desarrollo de las plantas, al fortalecer su sistema inmune y protegerlas del estrés oxidativo mediante la liberación controlada de yodo en la planta. Este mecanismo mejora la absorción de nutrientes por la planta e impacta directamente en las variables de crecimiento, al estimular los reguladores de la división celular, acelerar la producción de pigmentos y favorecer el alargamiento de las raíces (^{Rahman et al., 2023}).

En gran medida, los resultados favorables se debieron a la capacidad de absorción de yodo en las células de raíz, hoja o tallo. Esto implica que los gradientes de concentración es la tercera fuerza en el transporte de yodo (al migrarlo de la raíz hacia el tallo y las hojas mediante difusión), además de la transpiración y la presión radicular (ambos movimientos de advección); sin embargo, la capacidad de absorción es variable entre especies vegetales (^{Weng et al., 2013}). El transporte de yodo desde las raíces hasta los brotes se podría regular mediante transportadores (^{Kato et al., 2013}). Se ha reportado que el yodo podría desempeñar un papel nutricional en las plantas, ya que la aplicación de pequeñas cantidades (micromolares) mejora su crecimiento y desarrollo. Este tratamiento no solo estimula la producción de biomasa, sino que también adelanta la floración. Dichos efectos no se pueden replicar con halógenos similares, como el bromo, debido a la participación del yodo como componente estructural de varias proteínas (^{Kiferle et al., 2021}). Estudios recientes consideran que el yodo no es un elemento esencial, pero es considerado benéfico al igual que el silicio (Si), el selenio (Se), el sodio (Na) y otros (^{Medrano-Macías et al., 2021}; ^{Nascimento et al., 2022}).

Contenido de yodo

El contenido de yodo en las PI sintetizadas fue de 1.67 %. Aunque no hubo diferencias en el contenido de I entre tratamientos, la concentración más alta (205.96 mg∙kg^-1 de peso seco) se encontró en las plántulas de maíz tratadas con 50 mg∙L^-1 (Cuadro 3). La inexistencia de diferencias estadísticas en el contenido de yodo entre los tratamientos probablemente es el resultado de alguna contaminación en la cámara de crecimiento, causada por la volatilización del yodo desde las semillas (^{Gonzali et al., 2017}). Esta suposición se basa en el hecho de que las concentraciones de yodo en la biomasa de las plántulas se encuentran sobre los valores normales encontrados en las plantas, especialmente en los granos de cereales donde los valores máximos reportados son de 128 µg∙kg^-1 (^{Dávila-Rangel et al., 2019}). Por lo tanto, los resultados son prometedores ya que, además de su efecto bioestimulante, las PI podrían ser utilizadas como material para la biofortificación de cultivos para incrementar la ingesta diaria de yodo (^{Duborská et al., 2020}). Los resultados alcanzados con PI como agentes para el pretratamiento de semillas concuerdan con los hallazgos de otros autores que identifican al yodo como un nutriente bioestimulante (^{Blasco et al., 2008}).

Los resultados sugieren que la aplicación de estas partículas funcionalizadas con yodo representan un sistema prometedor para su uso en la formulación de nuevas estrategias de biofortificación de cultivos, ya que influyeron de manera positiva en el desarrollo de plántulas de maíz, así como la absorción y acumulación de yodo. Sin embargo, se necesitan más investigaciones para verificar si las partículas submicrométricas funcionalizadas con yodo muestran los mismos efectos positivos en otras especies vegetales.