Introducción

La fotosíntesis es el principal proceso fisiológico por el que las plantas responden a los cambios en las condiciones ambientales (^{Calatayud y Barreno et al. 2004}). Los pigmentos fotosintéticos son importantes para las plantas principalmente para la cosecha de luz y producción de poder reductor como ATP y NADPH (^{Masoudi-Sadaghiani et al. 2011}). Sin embargo, diferencias en la actividad de pigmentos fotosintéticos, pueden ser considerados un síntoma de una fertilización inadecuada, o un desbalance nutricional, no obstante, otros factores ambientales como la temperatura, salinidad o sequía pueden disminuir la actividad de los pigmentos fotosintéticos (^{Tanaka et al. 2008}).

Hoy en día, es común la aplicación de la fertilización nitrogenada, fosfórica y potásica en la actividad hortícola mundial (^{Ling et al. 2017}). El nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K) son los mayores factores limitantes del crecimiento y rendimiento de los cultivos (^{Parry et al. 2005}). Los nutrientes minerales tienen funciones esenciales y específicas en el metabolismo de las plantas, como activadores de reacciones enzimáticas, osmorreguladores y constituyentes de estructuras orgánicas (^{Latsague et al. 2014}). Actualmente el N es el nutriente más usado y demandado para el crecimiento de las plantas cultivadas, además de un componente esencial de proteínas y ácidos nucleicos, cuando la cantidad de N en el medio de cultivo, no se encuentra disponible en un rango óptimo, el crecimiento se reduce (^{Kraiser et al. 2011}).

La capacidad fotosintética de las hojas está relacionada con el contenido de N, principalmente porque las proteínas del ciclo de Calvin y tilacoides representan la mayoría del nitrógeno foliar (^{Latsague et al. 2014}). Un adecuado suplemento de N es esencial en el establecimiento de la máxima capacidad de demanda y la capacidad fotosintética; pero un uso excesivo de N provoca excesiva expansión del área foliar, que se correlaciona de forma inversa con la capacidad fotosintética. Recientes investigaciones indican una estrecha relación entre la concentración de clorofila foliar y el contenido de N, lo que tiene sentido, debido a que la mayoría del N foliar está en las moléculas de clorofila (^{Torres-Netto et al. 2005}). Dado que los pigmentos fotosintéticos tienen el potencial de detectar deficiencias de N, también es prometedor como herramienta para mejorar el manejo de la fertilización nitrogenada (^{Balasu-bramanian et al. 2000}).

El fósforo es el segundo elemento nutritivo, después del N, que limita el crecimiento de las plantas y la productividad de los cultivos, este nutriente forma parte de muchas moléculas que participan en procesos básicos de las plantas (^{Sánchez et al. 2009}). El P en su forma inorgánica (Pi) está involucrado en el control de muchas reacciones enzimáticas, que regulan procesos metabólicos (^{Salinas et al. 2013}). Los efectos de la deficiencia de P incluyen: la reducción en el número de hojas y la pérdida de la eficiencia fotosintética. También participa en procesos metabólicos esenciales para el crecimiento normal, como la fotosíntesis (^{Salinas et al. 2012}); debido a que influye en la estabilidad de la clorofila (^{Bojovic y Stojanovic 2005}).

El K es un nutriente esencial para las plantas. A pesar de su naturaleza catiónica, su comportamiento es similar a la que presentan el P y N, redistribuyéndose con facilidad de los órganos maduros a los juveniles por su movilidad y baja afinidad con los ligandos orgánicos de los que fácilmente se intercambia (^{Latsague et al. 2014}). En general, la deficiencia de N, P y K afecta la fotosíntesis y el crecimiento (^{Muñoz-Huerta et al. 2013}). Pero hay poca información del efecto del N, P y K en dosis elevadas sobre la concentración de pigmentos fotosintéticos. Por lo que el objetivo del presente trabajo fue estudiar la respuesta de dosis deficientes y elevadas de N, P y K sobre la concentración de diferentes pigmentos fotosintéticos en hojas de frijol ejotero cv. Strike.

Materiales y métodos

Resultados

En la Tabla 1, se presenta la producción de biomasa foliar en función de las dosis de N aplicado, sobresaliendo el tratamiento N3 con la máxima biomasa foliar en relación con el tratamiento N6 que presentó la mínima acumulación de biomasa. Destaca el tratamiento N6 con la mayor concentración de N total mientras que el tratamiento NI tuvo la menor concentración. En la Figura 1, se observa que los distintos tratamientos de N aumentaron el contenido de la clorofila a, b y total, así como los carotenos, presentando los máximos valores el tratamiento N5, con incrementos superiores al 80% con respecto a las mínimas concentraciones del tratamiento NI.

Figura 1: Efecto de los tratamientos de N, P y K sobre la concentración de pigmentos fotosintéticos en frijol ejotero. Los datos son medias ± error estándar (n = 6). 

En la Tabla 2, se observa efecto del aumento de la dosis de N y la concentración de pigmentos fotosintéticos, siendo mayores las concentraciones de clorofila a y b, en relación con los carotenos. La aplicación de diferentes dosis de nitrógeno influyó en el contenido de clorofila a, b y carotenos, así como, en la relación de los pigmentos, con disminución de los contenidos de clorofilas y carotenos con la dosis N6. En la Tabla 3, se presenta la correlación entre el es tado nutricional del N, pigmentos foliares y biomasa, destacando la concentración de clorofila a y b, y clorofila total con correlación positiva y significativa con el estado nutricional del N. Con respecto al fósforo (Tabla 1) se observa que el tratamiento P3 tuvo la máxima biomasa foliar en relación al tratamiento Pl que tuvo la mínima acumulación de biomasa, también se observa que el tratamiento P6 tuvo la mayor concentración de P total.

Se encontraron diferencias significativas en la concentración de pigmentos fotosintéticos por efecto de las diferentes dosis de P, sobresaliendo la dosis P4 con la máxima concentración de clorofila a, b y carotenos, con incrementos del 35%, 33% y 37% con relación a la mínima concentración de la dosis P1 (Figura 1). Las diferentes dosis de P tuvieron un comportamiento parecido al N, ya que a medida que se incrementó la dosis de P, se tuvo acumulación de clorofila a y b, y carotenos, siendo el tratamiento P4 el que presentó el mayor contenido de pigmentos fotosintéticos.

En la Tabla 2, se presenta el efecto de la aplicación de las dosis de P sobre los pigmentos fotosintéticos. La relación clorofila a/clorofila b, varió de 2.86 a 3.26, la relación clorofila a/carotenos fue de 6.06 a 7.05, la relación clorofila b/carotenos fue de 1.94 a 2.19 y la relación clorofila total/carotenos varió de 8.01 a 9.21. Así mismo, presentó cocientes más bajos en las relaciones de pigmentos por efecto de la aplicación de dosis de P en comparación con las dosis de N. Las dosis deficientes de P (Pl y P2) presentaron un comportamiento similar a las dosis elevadas de P (P5 y P6), siendo la dosis considerada como óptima desde el punto de vista de pigmentos fotosintéticos la P4, ya que presentó la máxima acumulación de clorofila a y b, y carotenos. En la Tabla 3, se presenta la matriz de correlación entre el estado nutricional del P, pigmentos foliares y biomasa, destacando que no hay correlación positiva y significativa entre los diferentes pigmentos foliares y el estado nutricional del P.

Con respecto al Potasio, en la Tabla 1 se presenta la producción de biomasa foliar en función de los tratamientos de K, sobresaliendo la dosis K5 con la máxima biomasa foliar en relación a la dosis K1 que presentó la mínima acumulación de biomasa. En la misma Tabla, se presenta el efecto de las dosis de K sobre la acumulación de K total foliar, destacando la dosis K6 con la mayor concentración de K total en comparación con la menor concentración obtenida en la dosis Kl. Por otro lado, el K presentó un comportamiento inverso al N y P (Figura 1), siendo las dosis deficientes las que favorecieron la mayor acumulación de pigmentos fotosintéticos en relación con las dosis elevadas de K. Observándose que la dosis deficiente K1 tuvo la máxima concentración de clorofila a y b, y carotenos, con incrementos de 57, 49 y 48% con relación a la dosis K4 que tuvo la mínima concentración de pigmentos. Para la aplicación de las diferenciadas dosis de K sobre la relación de los pigmentos fotosintéticos se observó que los contenidos de pigmentos fotosintéticos se redujeron a partir de la dosis K5 (Tabla 2).

La correlación entre el estado nutricional del K, pigmentos foliares y biomasa, indica correlación positiva y significativa entre los diferentes pigmentos foliares y el estado nutricional del K (Tabla 3). En la Tabla 4, se presentan las ecuaciones del modelo polinomial y sus coeficientes de determinación (R2). Para el N, los modelos de regresión cuadrática (polinomial) fueron significativos para clorofila a, b, y carotenos, presentando el valor máximo de R2 la concentración de carotenos. Para el P, la clorofila a tuvo la R2 más alta, mientras que para el K fue la clorofila b que tuvo los mayores valores. Los modelos de regresión polinomial determinados representan el comportamiento de los pigmentos fotosintéticos estudiados en base a las dosis de N, P y K aplicados.

Discusión

En trabajos previos, se ha observado que la acumulación de pigmentos fotosintéticos en las plantas, es un indicador de producción de biomasa y del estado nutricional de N (^{Lamrani et al. 1996}). El tratamiento N3 presentó la máxima producción de biomasa foliar, con incremento del 43% en relación con el tratamiento N6 que tuvo el valor mínimo (Tabla 1). La aplicación de 6 mM de N (N3) es el mejor tratamiento para incrementar la producción de biomasa foliar en plantas de frijol ejotero. Por lo que los tratamientos por debajo de N3 (NI y N2) pueden ser considerados como deficientes de N, mientras que las dosis por encima de N3 son de elevadas a tóxicas por la disminución en la producción de biomasa foliar. Los pigmentos fotosintéticos son importantes para la captura de energía solar durante la fotosíntesis, por lo que diferencias en la actividad clorofílica son síntomas de una fertilización inapropiada de N ó un desbalance nutricional, aunque factores ambientales, como temperatura, salinidad o sequía, pueden disminuir la actividad clorofílica (^{Latsague et al. 2014}). La clorofila foliar se relaciona con la concentración de N foliar (^{Zhang et al. 2013}), por lo que puede ser un buen indicador de la concentración de N foliar (^{Naeem et al. 2009}).

De acuerdo a la mayoría de las investigaciones, la relación entre clorofila a y b es de 3:1, los cuales varían en función del crecimiento y desarrollo de la planta, del cultivar y de factores ambientales (^{Bojovic y Stojanovic 2005}). El contenido de carotenos fue bajo en comparación con los valores de clorofila, mientras que el contenido de carotenos mostró poca variación en función de la nutrición mineral (Tabla 1). Estudios previos demuestran que el aumento del N en la rizósfera aumento las concentraciones foliares de clorofila a y b, así como la clorofila total, independientemente de la dosis de P aplicada. Las concentraciones totales de clorofila se correlacionaron con el nivel de fertilización de P. El caroteno y los licopenos reflejaron la influencia de las dosis crecientes de N, mientras que P no afectó a estos pigmentos.

El fósforo es un macronutriente esencial, que está involucrado en diversos procesos fisiológicos y bioquímicos de las plantas, siendo parte integral del metabolismo de la energía, componente de ácidos nucleicos y de las membranas (^{Hawkesford et al. 1995}, ^{Salinas et al. 2012}). La baja disponibilidad de P es uno de los principales factores que limitan la producción de cultivos en la mayor parte del planeta (^{Raghothama y Karthikeyan 2005}). Niveles excesivos de P disponible en el medio pueden interferir con la absorción de Zn o Fe y en consecuencia, pueden alterar la producción de biomasa (^{Hawkesford et al 1995}). Mientras que el fósforo es un importante elemento nutricional que puede limitar el crecimiento de las plantas (Raghothama 1999). Al respecto se encontró que los tratamientos de P afectaron la producción de biomasa foliar (Tabla 1), destacando el tratamiento P3 (2.0 mM de P) con incremento del 15% en relación con el tratamiento P6 que presentó la menor biomasa foliar. Los tratamientos por debajo de P3 (P1 y P2) pueden ser considerados deficientes de P; mientras que las dosis por encima de P3 pudieran considerarse elevadas a tóxicas por la disminución de biomasa foliar.

El fósforo es el principal sustrato de la fotosíntesis y tiene funciones estructurales en las membranas (^{Vanee et al. 2003}), también regula el metabolismo energético de las plantas debido a su presencia en el ATP, ADP, AMP y en moléculas pirofosfato (^{Xu et al. 2007}). Deficiencias de P conducen a cambios en procesos morfológicos, fisiológicos y bioquímicos como decremento de la relación brote/raíz (^{Rubio y Lynch 2007}). Al respecto, ^{Yaryura et al. (2009)} menciona que la deficiencia de P produjo disminución de los valores de reflexión entre 500 y 650 nm, con mayores contenidos de antocianina, clorofila y daño al fotosistema II.

Al igual que el N y P, el K es el nutriente que se necesita para un adecuado crecimiento de las plantas. Se encontró que los tratamientos de K afectaron la producción de biomasa foliar (Tabla 1), siendo el tratamiento K3 el que presentó el mayor valor, con incrementos de 36 y 15%, en comparación con los valores mínimos de los tratamientos K1 y K6, respectivamente. La aplicación de 4.0 mM de K (K3) y de 8.0 mM (K4) fueron los tratamientos con mayor producción de biomasa foliar en plantas de frijol ejotero, mientras que los tratamientos por debajo de los tratamientos K1 y K2 son deficientes de K. mientras que las dosis de K5 y K6, se consideran tóxicas por la disminución del crecimiento de las plantas de frijol. Estos resultados coinciden con los publicados por ^{Salinas et al. (2012)} y ^{Latsague et al. (2014)} quienes indican que el N y P tienen influencia sobre el contenido de clorofila. Mientras que ^{Daughtry (2000)} indican que el N es un elemento estructural de la clorofila y de moléculas de proteína, y por lo tanto afecta la formación de cloroplastos y la acumulación de clorofila. La influencia del P sobre la formación de pigmentos verdes en las hojas depende de la concentración, debido a que afecta la estabilidad de la clorofila en las plantas. Aunque el N es el elemento mineral más importante en el proceso de biosíntesis de la clorofila, una dosis elevada reduce la vida de las hojas, incrementa su sensibilidad, y baja su resistencia a enfermedades, lo que conduce a un decremento del contenido de clorofila foliar. Mientras que la deficiencia de P inhibe el crecimiento vegetal y la síntesis de clorofila. Por lo que el contenido de clorofila puede utilizarse como indicador de estrés (^{Tejada-Zarco 2004}). Estudios previos, indican efecto de la fertilización con N, P y K sobre los parámetros bioquímicos de las hojas de B. corallina, principalmente en el contenido de clorofila a y b (^{Latsague et al. 2014}). Todos los elementos macro-metabólicos tienen influencia en el desarrollo de plantas en general y su superficie foliar es influenciada por el nitrógeno. Al respecto, ^{Bojovicy Stojanovic (2005)} reportan que el contenido de las distintas dosis de N, P y K indican diferencias en las concentraciones de pigmentos fotosintéticos, con mayores contenidos con las dosis con mayores contenidos de N y P, mientras que para el K, fueron mayores en las dosis bajas.

La deficiencia de N, P o K suprimió el crecimiento, aceleró la senescencia y disminuyó las concentraciones de los pigmentos cloroplásticos (^{Kumar Tewari et al. 2007}). La deficiencia de los principales componentes estructurales, como el nitrógeno (N) o el fósforo (P), se espera que reduzca la frecuencia de los portadores de electrones de los sistemas de transporte de electrones (^{Grossman y Takahashi 2001}). La deficiencia de potasio (K) retarda la absorción de CO2 debido al cierre estomático, lo que conduce a la acumulación del poder reductor (NADPH), sobre-reducción de los portadores del transporte de electrones y la generación del radical superóxido (O2-) y otras especies de oxígeno reactivo (^{Grossman y Takahashi 2001}). La senescencia, es una consecuencia importante de la deficiencia de N o P y el estrés oxidativo comparten síntomas comunes, como la pérdida de pigmentos y proteínas cloroplásticas, la peroxidación lipídica y las alteraciones de la membrana, lo que conduce a una disminución progresiva de la capacidad fotosintética (^{Kumar Tewari et al. 2007}). La aplicación de N favoreció la acumulación de clorofila a, b y carotenos, presentando la máxima concentración la dosis de 18 mM, de la misma manera la aplicación de P favoreció la acumulación de pigmentos, presentando la dosis de 4.0 mM, la mayor acumulación; mientras que para el K presentó un comportamiento inverso al N y P, presentando la mayor acumulación de pigmentos la dosis de 1.0 mM.

La clorofila es el pigmento más importante en las hojas, y responsable de su verdor. El contenido de clorofila puede utilizarse como indicador del estado nutricional del nitrógeno, ya que éste es un elemento esencial en la síntesis de proteínas fotosintéticas (^{Demotes-Mainard et al. 2008}). Al respecto, la concentración de clorofila a y b, y total tuvieron una correlación positiva y significativa con el estado nutricional del N (Tabla 3). Por lo que, los pigmentos fotosintéticos son buenos indicadores del estado nutricional del N, pero no del estado nutricional del P y K. El modelo matemático polinomial fue el que mejor explicó las curvas de pigmentos fotosintéticos, debido a que tuvo los meyores valores del coeficiente de determinación (Tabla 4). La aplicación de la dosis N6, puede considerarse una dosis tóxica de N, que favoreció la acumulación de H₂O₂ en tejido foliar (^{Sánchez et al. 2000}) y generó una necrosis foliar que afecto los pigmentos fotosintéticos y el crecimiento de las plantas de frijol ejotero. Al igual que el N, las dosis elevadas de P y K, fueron tóxicas, debido a que disminuyeron el crecimiento de la parte aérea, probablemente debido al estrés oxidativo que generó condiciones de toxicidad de P y K, lo que puede verse reflejado en la disminución del contenido de pigmentos foliares.

Conclusiones

La aplicación de N favoreció la acumulación de clorofila a, b y carotenos, presentando la máxima concentración la dosis de 18 mM, de la misma manera la aplicación de P favoreció la acumulación de pigmentos, presentando la dosis de 4.0 mM, la mayor acumulación; mientras que para el K presentó un comportamiento inverso al N y P, presentando la mayor acumulación de pigmentos la dosis de 1.0 mM. La concentración de clorofila a y b, y clorofila total tuvieron una correlación positiva y significativa con el estado nutricional del N. Finalmente, se concluye que el modelo matemático polinomial puede ser un instrumento para la toma de decisiones en el manejo nutricional del N, P y K.