efectos de la influencia ambiental y genética en la fisiología y

EFECTOS DE LA INFLUENCIA AMBIENTAL Y GENÉTICA EN LA FISIOLOGÍA Y
DESARROLLO EN DIFERENTES VARIEDADES DE MAÍZ (Sea Mays)
Casasola Zamora S. (1); Tiessen Favier A. (2)
(1)
Facultad de Química
Universidad Autónoma de Querétaro
(2)
Departamento de Ingeniería Genética, Laboratorio de Metabolómica y Fisiología Vegetal
Centro de Investigaciones Avanzadas del IPN
RESUMEN
En el presente trabajo se realizó una evaluación de los efectos ambientales sobre el desarrollo
y crecimiento de distintas variedades de maíz, también se estudiaron diferencias fisiológicas
al someter plantas a estrés hídrico severo así como diferencias en la síntesis de azúcares
solubles en variedades de maíz de distintas edades.
Los resultados obtenidos revelaron diferencias significativas en el crecimiento en plantas
crecidas en condiciones controladas dentro del invernadero y plantas cultivadas en
condiciones ambientales variables fuera del invernadero, sin embargo no se encontraron
diferencias fisiológicas. En las plantas sometidas a estrés hídrico se observaron diferencias
significativas en procesos fisiológicos como la transpiración en relación con controles en
condiciones normales de riego. También fue notable que la síntesis de azúcares solubles como
glucosa, fructosa y sacarosa se encuentran directamente relacionadas con la edad de la planta
sin importar
INTRODUCCIÓN
El maíz (Zea Mays) es una planta monocotiledónea de origen mesoamericano con producción
anual, presenta inflorescencia monoica con inflorescencia masculina y femenina separada
dentro de la misma planta. El cultivo de esta planta es de gran importancia a nivel mundial ya
que forma la base de la alimentación de distintas culturas, además de ser utilizado como
forraje para ganado o como materia prima para la manufactura de diversos productos de
importancia industrial. Para su correcto desarrollo el maíz requiere mantener una temperatura
constante de entre 25 a 30ºC, sin embargo puede llegar a soportar temperaturas mínimas de
8ºC y máximas de 38ºC. Con temperaturas altas pueden aparecer problemas serios debido a
mala absorción de nutrientes minerales y agua.
Las variaciones periódicas de temperatura tienen un efecto directo sobre el desarrollo vegeta,
afecta el crecimiento e interviene con las floraciones (Burke y col. 1991) l. Esta variación
cíclica de temperatura se conoce como termo periodo y se relaciona con el parámetro definido
como TKW (termal kinetic window). Este parámetro relaciona las características bioquímicas
de la planta con rangos de temperatura óptima. Cuando una planta se encuentra fuera del
TKW la planta experimenta reducción de crecimiento y temperatura. Como mecanismo de
defensa al estrés térmico las plantas tienen la capacidad de regular la temperatura de sus hojas
por medio de la transpiración durante el día, sin embargo cuando la temperatura ambiental se
encuentra debajo del TKW la planta no puede elevar su temperatura foliar. En condiciones de
sequía, con un nivel de estrés hídrico considerable, la transpiración de las planta disminuye
reduciendo su capacidad para mantener su temperatura óptima. Esta capacidad esta
directamente relacionada con la cantidad de agua almacenada en el suelo. (Burke y col. 1991)
La capacidad de resistencia a estrés por temperatura y sequía varía entre especies así como
entre variedades de la misma especie. La bioquímica de las plantas, producción de
metabolitos y medios de respuesta a estrés es el resultado de la expresión de los genes propios
de la especie.
1
MATERIALES Y MÉTODOS
Determinación de influencia de la temperatura.
Se utilizaron cuatro variedades de maíz (Zea Mays), 2 variedades comerciales adaptadas a las
condiciones climáticas del bajío mexicano; ASGROW OSO y ASGROW PUMA, y 2
variedades híbridas; TL08B CML 495*CML494 y LPSC7-F64--2-6-2-2-BB* CML495. Las
semillas fueron sembradas en macetas con tierra estéril preparada y fueron crecidas en
invernadero. Cuando las plantas alcanzaron la edad de 5 hojas se sacaron del invernadero la
mitad de las plantas con el fin de no controlar las condiciones ambientales. Se midió la Tasa
de Crecimiento relativo (RGR), conductancia estomal (transpiración, utilizando un porometro
de hoja marca DECAGON), porcentaje de clorofila en hoja (SPAD, marca Minolta) así como
la temperatura foliar (utilizando un termómetro infrarrojo)
Determinación de las diferencias fisiológicas en estrés hídrico
Se sembraron 45 variedades de maíz en macetas, 8 macetas por variedad y fueron crecidas en
invernadero a condiciones constantes. 2 semanas antes de la floración se suspendió el riego en
cuatro macetas de cada variedad dejando las otras 4 como control. Se determinó la respuesta
al estrés al medir transpiración, temperatura de hoja y cambios en los tiempos de floración
(ASI Antesis, Silk Interval)
Diferencias en síntesis de azucares solubles
Para determinar diferencias en la síntesis de azúcares solubles se tomaron plantas de
diferentes genotipos y de diferentes edades. Se utilizaron variedades ASGROW OSO y
PUMA de 61 días, TL08b CML495*CML494 y LPSC7-F64--2-6-2-2-BB* CML495 de 41
Días. Se les midió el largo y el peso de la caña. Se realizó también un extracto de la caña, el
jugo fue pesado y después se utilizo para determinar azucares solubles utilizando el método
de reacciones enzimáticas acopladas en un lector de microplacas.
RESULTADOS
Al comparar el crecimiento de las variedades de maíz cultivadas en condiciones de
temperatura controladas dentro del invernadero con las variedades en condiciones aleatorias
fuera del invernadero se observaron diferencias significativas (.1 > Valor P) en crecimiento
total. Mientras que en la conductancia estomal (transpiración mM CO2 m-2s-1), tasa de
crecimiento relativo y porcentaje de clorofila foliar no hubo diferencias significativas entre las
variedades en las diferentes condiciones.
En cuanto a las plantas sometidas a estrés hídrico y térmico, se observó que las plantas en
condiciones de sequía presentaban una menor tasa de transpiración y una temperatura foliar más
elevada; confirmando la dificultad de las plantas de mantener su temperatura óptima en ausencia
de agua. Figura 2
Se midió la transpiración en el día -5 al inicio del estrés, sin observar diferencias significativas
entre las plantas usadas; esta medida fue utilizada como control. Al realizar el seguimiento de las
mediciones de transpiración fue posible apreciar una disminución significativa en las plantas
sometidas a estrés. Figura 3. La inflorescencia masculina se presento en fechas uniformes dentro
de las plantas en tratamiento mientras que la inflorescencia femenina se retrazo considerablemente.
2
Figura 1
A)Gráfica de crecimiento total : Desde el día cero
de tratamiento al día 26.
B)Gráfica de la Tasa de Crecimiento Relativo
C)Gráfica de conductancia estomal
D)Gráfica del porcentaje de clorofila foliar.
Las mediciones de conductancia estomal y
porcentaje de clorofila fueron tomadas a media
hoja en la cuarta hoja de la punta hacia la raíz.
Para el cálculo de la altura, se tomo como punto
más alto la altura de la última hoja en reposo.
Se utilizó el error estándar para determinar las
barras de error.
Figura 2
A) Gráfica de los promedios de la temperatura en la
superficie de la hoja
B) Foto térmica de 2 genotipos bajo condiciones normales
y de estrés hídrico. La planta de la derecha se encuentra
estresada por sequía. Se puede observar que la temperatura
foliar de la planta es mayor que la temperatura de la planta
de la izquierda.
La coloración muestra la temperatura externa de la planta.
Amarillo = 37ºC, Cyan= 31ºC.
Comparación Sequía vs Riego
FIGURA 3
La serie 1 representa el promedio de conductancia estomal de
140.00
Serie1
las plantas en condiciones normales, mientras que la serie 2
representa las plantas sometidas a estrés.
las variaciones observadas entre las plantas con riego en los
diferentes días fueron producidas por el horario en el que se
realizaron las mediciones. para disminuir errores sistemáticos
se realizaron mediciones de manera alternada.
En el gráfico se aprecian diferencias significativas entre los
tratamientos de estrés y el control. Las barras de error
corresponden a los valores del error estándar.
Tranpiración mM COS / m2s
120.00
Serie2
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
Riego día -5
Riego día 0
Riego Día 3
Riego día 7
Día de tratamiento
3
Al analizar el contenido de azucares solubles en cuatro genotipos diferentes de maíz de diferentes
edades se apreció que la síntesis de estos azucares es independiente al genotipo o a la edad. Ya que
no se observaron diferencias significativas entre los genotipos. FIGURA 4
FIGURA 4
SUCROSE
Muestra las gráficas del contenido de azucares solubles. La primera gráfica muestra
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
el contenido de sacarosa, la segunda de fructosa y la tercera gráfica el contenido de
glucosa.
No se observaron diferencias significativas entre las diferentes variedades de maíz
TL 08B 47
días
TL 08B 47
días
TL 08B 47
días
TL 08B 47
días
TL 08B 47
días
TL 08B 47
días
CML
495*CML494
47 días
CML
495*CML494
47 días
CML
495*CML494
47 días
CML
495*CML494
47 días
Puma 61
Días
Puma 61
Días
OSO 61 días
OSO 61 días
analizadas.
FRUCTOSE
CML
495*CML494
47 días
Puma 61
Días
Puma 61
Días
OSO 61 días
OSO 61 días
80
70
60
50
40
30
20
10
0
GLUCOSE
CML
495*CML494
47 días
Puma 61
Días
Puma 61
Días
OSO 61 días
OSO 61 días
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
CONCLUSIONES
El ambiente ejerce una gran influencia en el desarrollo
vegetal. Cuando los cultivos se mantienen dentro del
rango de su temperatura óptima presentan una tasa de
crecimiento mayor. Sin embargo no hay diferencias
fisiológicas y bioquímicas considerables, el proceso de
transpiración y contenido de clorofila no se ven
afectados con niveles de estrés moderado, producido
por fluctuaciones temporales de temperatura.
En casos de estrés por agua severo, la bioquímica de la
planta se modifica para lograr un uso más eficiente del
agua, la transpiración se reduce significativamente y
esto provoca un incremento en la temperatura e4xterna
de la planta. Esto puede provocar daños severos a la
planta que pueden afectar el rendimiento del cultivo.
La síntesis de metabolitos como azucares solubles es
dependiente del propio genotipo de la planta. Sería
conveniente realizar un estudio mas a fondo en donde
se midan los niveles de producción de estos metabolitos
en plantas sometidas a distintos tipos de estrés para así
determinar la influencia que tiene el ambiente en su
síntesis. Conociendo los rangos óptimos de un cultivo
específico se puede lograr un mayor rendimiento en
condiciones controladas y permite entender la fisiología
de la especie para que en un futuro se pueda lograr un
mejoramiento genético de la especie que genere un
mayor rendimiento en campo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1
Burke JJ (US Agricultural department) Variation among species in the
temperature dependence of the reappearance of variable fluorescence
following illumination. Plant Physiology journal 93: 652-656
2
J. Flexas (Universidad de Barcelona) Effects of Water Stress on Respiration in
Soybean Leaves1 Plant Physiology Journal vol. 139 2005
3
M.R. Kaufman (US Department of agriculture) Evaluation of Season, Temperature,
and Water Stress Effects on Stomata Using a Leaf Conductance Model Plant
Physiology journal vol. 69 1982
4
J.J. Burke (US department of agriculture) Influence of Water and Temperature Stress on
the Temperature Dependence of the Reappearance of Variable Fluorescence following
Illumination Plant Physiology Journal vol. 97 1991
4