Introducción
El osmoacondicionamiento consiste en la imbibición controlada de la semilla en soluciones osmóticas o agua, interrumpiéndose dicho proceso antes de la protrusión de la radícula. Las semillas tratadas incrementan su porcentaje de germinación, así como el crecimiento de las plántulas, mejorando la calidad nutrimental de los cultivos como el maíz. Con la imbibición de la semilla y la activación de enzimas debida al efecto de las giberelinas, se activan glucanasas que degradan el endospermo almidonoso, cuyos productos son absorbidos por el escutelo (Preston et al., 2009). Durante la germinación hay una absorción pasiva de agua que se divide en tres fases, la tercera fase no ocurre en semillas latentes (Méndez-Natera et al., 2008). Poco después de la imbibición hay una disminución en el contenido de ácido abscísico (ABA).
Un incremento en giberelinas parece correlacionarse temporalmente con el inicio de la absorción de agua. Después de tres horas de imbibición, más de 2 000 genes en Arabidopsis muestran cambios en su actividad, algunos positiva, otros negativamente. Entre los primeros hay genes del metabolismo de los carbohidratos y de proteínas del ribosoma. En Brassica napus, el osmoacondicionamiento afectó 952 genes y 75 proteínas; además, la inmersión, el secado y la germinación encienden vías específicas, con un número limitado de genes y proteínas involucrados en todas las fases, la gran mayoría tiene participación en una sola de las vías (Kubala et al., 2015). Parte importante en el proceso de la germinación lo tiene la H+ATPasa, que provee la fuerza de empuje para la entrada y salida de iones y metabolitos a través de la membrana plasmática y está activa a las dos horas después de la imbibición (Mei y Song, 2008; Sveinsdottir et al., 2009).
La inmersión previa de la semilla en soluciones osmóticas, incluso en agua, puede mejorar el comportamiento de la semilla durante la germinación. Diversos resultados muestran que las semillas osmoacondicionadas mejoran su tasa de germinación, así como el comportamiento de la plántula, incluso bajo condiciones de estrés, se recomienda para situaciones de escasez de agua, para acelerar el crecimiento en plántulas de transplante e incluso para mejorar la calidad nutrimental de los cultivos como el maíz (Finch-Savage et al., 2004; Harris et al., 2007; Zhang et al., 2015).
Para el osmoacondicionamiento se han usado sustancias como ácido giberélico, nitrato de potasio o calcio, poli etilenglicol (PEG) y poliaminas, sulfato de zinc, peróxido de hidrógeno (Ahmmad, 2014). El osmoacondicionamiento se ha asociado con la estimulación de las enzimas antioxidantes; se propone que favorece la imbibición y aumenta la extensibilidad de las paredes celulares de la radícula y debilita el endospermo, facilitando su movilización, que inicia a las seis horas de la imbibición (Mei y Song et al., 2008), aunque los beneficios del osmoacondicionamiento no están claramente relacionados con la eficiencia en la movilización de reservas (Zhang et al., 2015), acorta el tiempo de protrusión de la radícula (Moosavi et al., 2009). Dada la gran diversidad de maíces en México y las condiciones bajo las cuales se le cultiva (temporal), el objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto del acondicionamiento osmótico sobre la calidad germinativa y fisiológica de dos poblaciones de maíz pigmentado. La hipótesis fue que hay diferencias entre las razas de maíz en la respuesta al osmoacondicionamiento.
Materiales y métodos
Se evaluaron dos razas de maíz: Elotes Occidentales de color rojo y Bofo de color morado, las semillas se obtuvieron del programa de mejoramiento de maíces del Instituto Tecnológico de Roque, almacenadas bajo las condiciones normales de temperatura y humedad, clima semiseco, semicálido, temperatura media de 18 °C. La semilla procedía del ciclo anterior, se tomó una muestra homogénea para los experimentos. Las dos soluciones osmóticas utilizadas se prepararon con 30% (p/v) de polietilenglicol 6000 (SIGMA®) y 3% de nitrato de potasio (Golden Bell®) más 0.01% ácido giberélico (Rali Agropecuaria®) (Tiryaki y Buyukcingil, 2009). Se registró el peso inicial de cada muestra. Se usó un diseño completamente al azar con 4 repeticiones de 25 semillas cada una. Como testigo se usaron semillas sin osmoacondicionamiento. La inmersión fue de 6 y 12 h en un recipiente abierto; al término del tiempo de imbibición, las semillas se colocaron en toallas de papel para eliminar el exceso de agua y se pesaron.
Se secaron en cajas Petri durante 7 días al medio ambiente. Se pesaron al final del periodo de secado. La prueba de germinación se llevó a cabo según el método de la ISTA (2005) en cámara de germinación Control System Labs® a 25 °C con 80% de humedad relativa. Se preparó una solución de Captán al 1% y se sumergieron las semillas en ella durante 5 min. Remojo (soak test): se colocaron 25 semillas en un recipiente de plástico de 250 mL, se agregó agua purificada a temperatura de 25 °C durante 24 h a temperatura controlada; la semilla quedó cubierta con una capa de 2 cm de agua. Posteriormente, se sumergieron en Captán al 1% durante 5 min. Se sembraron 4 repeticiones de 25 semillas para la prueba de germinación. Se tomaron 4 plántulas por repetición, ya que se consideró adecuada para representar las poblaciones, esto se corroboró en los análisis de varianza ya que tuvieron coeficientes de variación buenos; se midió la longitud de plúmula y radícula así como el peso total al cuarto y séptimo día para determinar el crecimiento.
Prueba de vigor (longitud media de plúmula y radícula): se llevó a cabo conforme al método descrito por Moreno (1984), las semillas se introdujeron en bolsas de polietileno colocándose dentro de la cámara de germinación a 25 °C. Se tomaron 10 plántulas por repetición y se separaron las radículas y se pesaron por separado para obtener su peso fresco, se colocaron cada una en sobres de papel y luego se sometieron a secado en la estufa (aparatos de laboratorio modelo H 62) a 80 °C durante 48 h para determinar el peso seco. Acidez titulable. Se tomaron 2 g de muestra de harina y se añadió una relación 1:4 harina/agua destilada; se tituló con una solución de hidróxido de sodio al 0.1 N (Karal®). La acidez en la muestra, expresada como ácido málico, se calculó con la siguiente fórmula: acidez g L-1 (ácido málico) = (V*N*67)/m, en donde: V= volumen de solución de hidróxido de sodio 0.1 N gastado en la titulación de la muestra, en mL, N= normalidad de la solución de hidróxido de sodio; m= volumen de la muestra, en mL; 67= equivalente químico del ácido málico.
Para la extracción de proteína se molieron 10 semillas con un molino modelo KRUPS GX4100; se pesaron 0.25 g de harina de cada muestra y se les agregó a cada tubo 1.5 ml de buffer de extracción (pH 7.5 con fosfato de sodio 50 mM, cloruro de sodio 250 mM 2% de DTT (ditiotreitol). Se mezclaron las muestras con agitación en el Vortex® durante 5 min. Se incubaron las muestras a baño María a 80 °C durante un minuto; se dejaron enfriar y se refrigeraron a 5 °C durante 24 h. Se decantó el sobrenadante y se centrifugó a 13 000xg en la microfuga durante 15 min; se separó nuevamente el sobrenadante y se agregó glicerol a cada muestra para una concentración de 10% y finalmente se congelaron a -20 °C. La cuantificación de proteína se llevó a cabo mediante el método de Bradford (1976). Los patrones electroforéticos se obtuvieron por triplicado usando el método de Schagger y von Jagow (1987). La evaluación de las pruebas de germinación estándar, vigor (longitud de plúmula), remojo (soak test) y acidez titulable se hicieron bajo un diseño completamente al azar, el análisis estadístico fue con Andevas utilizando el programa SAS 9.0.
Resultados y discusión
En la raza Bofo (Cuadro 1), la tasa de imbibición de todos los tratamientos fue superior al testigo. Al respecto, Méndez-Natera et al. (2008) no encontraron relación entre la tasa de imbibición y los porcentajes de germinación en semilla de frijol común (Phaseolus vulgaris), frijol de palo (Cajanus cajan) y maíz (Zea mays). Se ha tratado de controlar la cantidad de agua embebida por la semilla, pero es difícil de lograr además de que el comportamiento de la misma dependerá de la especie, el lote y las condiciones bajo las cuales se lleve a cabo el tratamiento (Sánchez et al., 2001). El embrión del maíz se hidrata a las 15 h, el endospermo a 48 h, la mayor imbibición podría mejorar el establecimiento en campo de acuerdo con Finch-Savage et al. (2004).
Medias de tratamiento con la misma letra dentro de cada variable son stadísticamente iguales con DMS (p< 0.05). TRAT= tratamientos; NOR= semillas normales; MUER= semillas muertas y TI= tasa de imbibición.
En el Cuadro 2 se observa que todos los tratamientos fueron superiores al testigo en las variables longitud de plúmula y radícula, no hubo diferencias entre los tratamientos de osmoacondicionamiento. Los tratamientos no tuvieron efectos negativos sobre las variables evaluadas; algunos investigadores (Campos-Álvarez et al., 2002; Moosavi et al., 2007) señalan que el porcentaje y la velocidad de germinación disminuyen cuando se incrementa el potencial osmótico de la solución, lo que indica que en este caso la cantidad de sales utilizada no tuvo efectos estresantes sobre la semilla. En el segundo conteo se observó un comportamiento semejante, el efecto positivo del osmoacondicionamiento volvió a mostrarse en estas variables; en la longitud de raíz secundaria sólo algunos tratamientos resultaron superiores al testigo (PEG 12 h y KNO3+ AG3 6 h).
Medias de tratamiento con la misma letra dentro de cada variable son estadísticamente iguales con DMS (p< 0.05). TRAT=tratamientos, LP= longitud de plúmula, LR=longitud de radícula, LRS1 y 2= longitud de radículas secundarias 1 y 2.
Estos resultados podrían estar relacionados con la activación de genes que modifican y hacen más laxa la pared celular y la organización del citoesqueleto, lo que facilita o ayuda al alargamiento de las estructuras de la plántula. Al aumentar la extensibilidad de las paredes celulares de la radícula y debilitar el endospermo, facilitan su movilización, como lo señalan Mei y Song et al. (2008). Genes implicados en la división celular son regulados positivamente durante el osmoacondicionamiento, aunque se ha reportado que la síntesis de DNA que ocurre en esta etapa es para reparación del mismo (Zhang et al., 2015). Los efectos positivos observados sugieren que estos pre-tratamientos se propongan para mejorar la germinación e incrementar la tolerancia al estrés (Moosavi et al., 2009), como condiciones de escasez de agua o para acelerar el trasplante de plántulas (Finch-Savage et al., 2004; Harris et al., 2007; Zhang et al., 2015).
Se ha observado que el rápido crecimiento luego del osmoacondicionamiento coincide con un incremento en la poza de UDP-glucosa, precursor de la síntesis de celulosa de pared celular (Bray et al., 1989). Las variables evaluadas en la prueba de remojo de maíz Elotes Occidentales se muestran en el Cuadro 3. El porcentaje de germinación de semillas normales del primer conteo fue estadísticamente superior al testigo en semillas tratadas con PEG a 6 y 12 h. Las soluciones osmóticas de PEG han sido utilizadas para imponer estrés hídrico en plantas debido a que previene la absorción excesiva de agua por la semilla. En plátulas anormales se observaron diferencias en la muestra testigo y en el tratamiento con PEG a 12 h. En semillas muertas el tratamiento con KNO3+ AG3 a 12 h presentó el valor mayor; KNO3+ AG3 a 6 h y el testigo no presentaron diferencias. Para TI2 el tratamiento más alto fue PEG a 12 h y el menor fue KNO3+ AG3 6 h. Retardar la imbibición con el uso de PEG se previene la aparición de áreas muertas en cotiledones de arvejas (Méndez-Nátera et al., 2008). En este caso los tratamientos con PEG mostraron mayor germinación.
Medias de tratamiento con la misma letra dentro de cada variable son estadísticamente iguales con base en la comparación de medias con DMS (p< 0.05). TRAT= tratamientos, NOR= semillas normales; MUER= semillas muertas; ANOR= semillas anormales; DRS= semillas duras y TI= tasa de imbibición.
En el Cuadro 4 se observan las mediciones al cuarto y séptimo día en Elotes Occidentales. La longitud de plúmula de los tratamientos fue superior al testigo, Mora-Ojendiz et al. (2012) reportaron un rango de 9.24 a 12.54 cm. En longitud de raíz primaria los tratamientos PEG a 12 h y KNO3+ AG3 a 6 y 12 h estadísticamente todas fueron iguales. Todos los tratamientos fueron inferiores al de la semilla testigo. Para el peso total de plántula no hubo diferencias. En el segundo conteo no hubo diferencias entre tratamientos y todos se encuentran por encima del valor de la muestra testigo en longitud de plúmula. El peso total de la plántula en los tratamientos fue inferior respecto al tratamiento testigo. En semilla de maíz el tratamiento con peróxido de hidrogeno incrementa la longitud y peso seco de plántula (Whaid et al., 2008).
a Medias de tratamiento con la misma letra dentro de cada variable son estadísticamente iguales con DMS (p< 0.05). TRAT= tratamientos; LP= longitud de plúmula; LR=longitud de radícula; LRS2= longitud de radícula secundaria y PT= peso total de la plántula.
El Cuadro 5 muestra las variables fisiológicas evaluadas en maíz Bofo. El KNO3+ AG3 a 12 h fue estadísticamente igual al de PEG a 12 h y presentaron los valores más altos respecto a los demás tratamientos y el testigo. La longitud de la plúmula con el tratamiento PEG a 6 h fue de 11.7 cm, valor que es inferior con respecto a la semilla testigo pero que se encuentra entre los valores de 11.05 a 11.86 cm reportado por Ruíz-Torres et al. (2012). En la longitud de radícula el valor PEG a 12 h resultó en esta investigación ser el más elevado con 18.5 cm y es muy parecido al de 21.2 cm reportado por Martínez et al. (2010). El valor de PEG a 6 h para peso fresco de la plúmula se encuentra con un valor por debajo de la muestra testigo. El valor más alto fue 0.884 g que correspondió a la semilla tratada con KNO3+ AG3 a 12 h. El testigo presentó la mayor cantidad de peso fresco de radícula y fue diferente al más bajo, KNO3+ AG3 a 6 h; los otros tratamientos estudiados fueron estadísticamente iguales.
Medias de tratamiento con la misma letra dentro de cada variable son estadísticamente iguales con DMS (p< 0.05). TRAT= tratamientos; LMP= longitud media de plúmula; LMR= longitud media de radícula y PFP= peso fresco de la plúmula; PSP= peso seco de la plúmula; PFR= peso fresco de la radícula; PSR= peso seco de la radícula y TI= tasa de imbibición.
La mayor longitud de plúmula y radícula en Elotes Occidentales se observó en el tratamiento con PEG a 12 h (Cuadro 6); las medidas se encuentran por debajo de 25.6 cm reportado por Espinosa-Calderón et al. (2009). El valor más bajo correspondió al tratamiento PEG a 6 h. En la tasa de imbibición (TI), el KNO3+ AG3 a 12 horas con 2.62 g fue superior a los demás tratamientos. Para el segundo conteo de semillas normales se observó que 11% de germinación del testigo fue superior a los tratamientos, presentando diferencia estadística significativa, el valor más bajo se observó en el tratamiento con KNO3+ AG3 a 12 h de imbibición, estos valores bajos en el segundo conteo indican que el mayor porcentaje de semillas normales se presentó en el primer conteo; por lo tanto, para el segundo conteo el porcentaje de germinación fue muy bajo.
Medias de tratamiento con la misma letra dentro de cada variable son estadísticamente iguales con DMS (p< 0.05). TRAT= tratamientos; LMP= longitud media de plúmula; LMR= longitud media de radícula TI= tasa de imbibición; NORM= plántulas normales.
La tasa de imbibición fue similar en los tratamientos PEG a 12 h y KNO3+ AG3 a 6 h; el KNO3+ AG3 a 12 h fue superior a todos los tratamientos, incluyendo al testigo (Cuadro 6). Genes como los factores de transcripción MYB, ERF/AP2, que codifican para proteínas involucradas en modificar la pared celular, organización del citoesqueleto y la división celular fueron reguladas positivamente en el osmoacondicionamiento y la germinación (Zhang et al., 2015) y la H+ATPasa de membrana es activa en semilla de maíz embebidas 2 h (Yu-Qin y Song-Quan, 2008). Que explica mayor germinación a los cuatro días. La raza Elotes Occidentales presentó 98% de germinación con el tratamiento de nitrato a 12 h y fue estadísticamente diferente al testigo, que presentó 84%. La mayor absorción de agua por las semillas fue en el tratamiento con nitrato a 12 h y la menor con el tratamiento de PEG 6 h (Cuadro 6). La mayor germinación de las semillas osmoacondicionadas está acorde con lo reportado por Sánchez et al. (2001).
En el Cuadro 7 se observa que la proteína extraíble de semilla completa es mayor en el tratamiento con KNO3+ AG3 12 h y menor en PEG 6 h; algo similar ocurrió con la proteína que se extrajo del embrión y del endospermo en la raza Elotes Occidentales. El proceso de germinación tiene amplios efectos sobre la semilla y se sabe que el incremento de la proteína es uno de ellos (Afify et al., 2012). Aunque el tiempo de exposición al líquido fue de 12 h tanto en PEG como con nitrato, se observó un mayor efecto con este último, debido a la naturaleza química, ya que PEG disminuye el agua disponible para la semilla por su efecto osmótico.
En el Cuadro 8 se observa que de los tratamientos, semilla completa, se extrajo casi el doble de proteína que del testigo. Esto podría explicarse por la solubilización parcial de la proteína debido al osmoacondicionamiento. Como se señaló antes, la germinación incrementa el contenido de proteína soluble en sorgo (Afify et al., 2012).
En el Cuadro 9 se analizó una disminución en la acidez titulable en los tratamientos en Elotes Occidentales, lo que podría indicar la remoción de compuestos hacia vías metabólicas o una recompartamentalización de tal manera que permanecieran menos accesibles. En el embrión, en cambio, se incrementó la acidez titulable. Dado que el embrión se hidrata antes que el endospermo, esto podría ser indicativo del reinicio de la actividad metabólica en el embrión. De acuerdo con Afify et al. (2016) en la semilla del cultivo de sorgo, luego de la germinación, hubo un incremento en aminoácidos libres, que participan en la regulación del pH.
En el Cuadro 10 se comprobó que la semilla completa mostró una tendencia a contener mayor acidez que los tratamientos. Esto posiblemente sea el reflejo de la movilización de algunos componentes seminales; el incremento en la movilización molecular del citosol de las semillas se ha correlacionado con una baja en la viabilidad durante el envejecimiento acelerado (Gurusinghe et al., 2001), pero también podría estar relacionado con los procesos germinativos. En el embrión es donde se observaron los cambios mayores, quizá por ser este la parte más activa de la semilla al rehidratarse.
Los tratamientos no provocaron alteraciones notorias en los patrones electroforéticos de la semilla (Figura 1 y 2). De acuerdo con Bray et al. (1989), durante el osmoacondicionamiento ocurre síntesis de proteína en Allium porrum y la identidad de estas proteínas puede ser importante para la germinación, pero en semillas de Brassica napus osmoacondicionadas sólo se observó una disminución en la abundancia de la cruciferina (Kubala et al., 2015). En un trabajo previo (Valle Moysén et al., 2017) se obtuvieron los patrones electroforéticos de maíz palomero, lo que permite comparar y señalar que son muy semejantes, mostrando parecido a nivel bioquímico entre las razas estudiadas.
Liu et al,. (2011) publicaron que los RNAs y las proteínas requeridas para la germinación ya se encuentran en el endospermo y el embrión. Es de esperarse que no sucedan cambios conspicuos en los patrones de proteínas, cuantitativa o cualitativamente, aunque se ha descrito la degradación gradual de oleosinas de maíz durante la imbibición Tnani et al. (2012). Es necesario un fraccionamiento más fino de las proteínas al extraerlas e implementar técnicas más sensibles para su detección (Wang et al., 2016). Wu et al. (2012) extrajeron las prolaminas y no prolaminas de grano de maíz; estas últimas dan un gran número de bandas de entre 100 y 10 kDa, aproximadamente, destacando la abundancia relativa de algunas bandas en determinadas líneas de maíz.
Conclusiones
La semilla de la raza Bofo sometida a hipoxia por exceso de agua (soak test) mostró un efecto positivo en la germinación en los tratamientos de PEG 12 h y KNO3+ AG3 6 h. Los tratamientos tuvieron un efecto positivo sobre la longitud de plúmula y radícula al cuarto día y se mantuvo en esta última al séptimo día.
En la raza Elotes Occidentales, el tratamiento con PEG a 6 y 12 h tuvo un efecto positivo sobre la germinación cuando las semillas se sometieron a hipoxia. El PEG a 6 h y el KNO3+ AG3 a los dos tiempos de incubación tuvieron un efecto positivo sobre la longitud de plántula al cuarto día.
Todos los tratamientos mostraron efecto positivo sobre la longitud de plántula al séptimo día. En la prueba de vigor, el KNO3+ AG3 a 12 h y el PEG12 h tuvieron un efecto positivo sobre la longitud de plúmula y radícula, en ambas razas. La proteína extraída de semilla completa de la raza Bofo fue mayor al testigo en los tratamientos de PEG 6 y 12 h y KNO3+ AG3 6 y 12 h. En la raza Elotes Occidentales se extrajo más proteína de embrión, endospermo y semilla completa en el tratamiento con KNO3 + AG3 12 h. La titulación de acidez en la raza Bofo, en semilla completa, se hallaron más especies ácidas en el testigo, que se traslapó con KNO3 + AG3 12 h, en el embrión, el tratamiento con PEG 12 h disminuyó la cantidad de acidez titulable. En el endospermo disminuyó la cantidad de acidez titulable con PEG 6 h. Para la raza Elotes Occidentales se registró una disminución en semilla completa con PEG 6 h y los dos tratamientos con KNO3+ AG3. En embrión se incrementó la acidez titulable en todos los tratamientos.