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Introducción
La agricultura enfrenta diferentes desafíos que amenazan la sostenibilidad de la producción de alimentos, entre ellos, principalmente, el cambio climático y el aumento de la población (Wang et al. 2023, Seppelt et al. 2022). Lo anterior, plantea retos en la maximización de la producción por unidad de área y la minimización del impacto ambiental en los sistemas de producción de cultivos. Una de las herramientas más prometedoras para hacer frente a estas crecientes preocupaciones es el uso de bioestimulantes vegetales (Mandal et al. 2023, Rouphael et al. 2018). Los bioestimulantes son cualquier sustancia o microorganismos aplicados a la planta o la rizosfera con el objetivo de mejorar la eficiencia nutricional, la tolerancia al estrés abiótico, atributos de calidad del cultivo y/o rendimiento, independientemente de su contenido de nutrientes (Du Jardin 2015, González-González et al. 2020). Los bioestimulantes de plantas han ganado importancia debido a su potencial para aumentar la germinación, la productividad y la calidad de una amplia gama de cultivos hortícolas y agronómicos (Han et al. 2021). Recientemente, algunos estudios han aplicado nanopartículas como bioestimulantes de plantas (Singh et al. 2023, Kolbert et al. 2022). Las nanopartículas de óxido de zinc (NPZnO) alteran la síntesis de muchas hormonas, clorofila y metabolismo de carbohidratos en el curso del crecimiento de las plantas, por lo que se ha señalado que la NPZnO funcionan mejor que otro tipo de nanopartículas metálicas (Gilbertson et al. 2020, Zoufan et al. 2020). Se ha reportado que las NPZnO mejoran el crecimiento de plantas, rendimiento y calidad de fruto en cultivos como tomate, pepino y lechuga (Zhao et al. 2013, González-García et al. 2021, Méndez-López et al. 2022). Por otro lado, muchos bioestimulantes que contienen carbohidratos cuando son aplicados a las plantas pueden alterar el metabolismo al actuar directamente como fuente de energía o molécula de señalización (Brown y Saa 2015). La maltodextrina es un polisacárido derivado de la hidrólisis del almidón que se usa en múltiples áreas de la industria (Yang et al. 2022). Estudios recientes han demostrado un efecto bioestimulante de la maltodextrina en los cultivos de tomate y lechuga, en los que promovieron diferentes parámetros agronómicos de importancia como la altura de la planta, rendimiento y biomasa fresca (Baldoquin-Hernandez et al. 2015, Pérez Velasco et al. 2020).
El pepino es una hortaliza ampliamente cultivada en todo el mundo, tanto en áreas abiertas como en invernaderos. En los países con clima templado durante el invierno, el pepino tiene un precio elevado debido a su escasez (Liu et al. 2021). Según el Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera (SIAP 2022), China es el principal productor mundial de pepino, mientras que México ocupa el quinto lugar en términos de volumen de producción. Los estados de Sinaloa, Sonora y Michoacán son los principales productores de pepino en México. Esto demuestra que el cultivo de pepino tiene un alto valor económico y agronómico en diversas regiones. Las investigaciones de cultivo del pepino pueden tener un impacto significativo en la rentabilidad y sustentabilidad de su producción, así como en la calidad y disponibilidad de los productos alimentarios relacionados. Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue analizar el efecto bioestimulante de la maltodextrina y las nanopartículas de óxido de zinc en el contenido de biomasa y los parámetros de rendimiento de las plantas de pepino en condiciones de invernadero.
Materiales y métodos
Sitio de estudio
El estudio se desarrolló en un invernadero tipo túnel con cubierta de polietileno, acondicionado con pared húmeda y ventilación por medio de extractores, en la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, en Saltillo, Coahuila, México. Las condiciones ambientales promedio dentro del invernadero durante el estudio fueron de Temperatura 23,2 °C, humedad relativa de 54%.
Manejo del cultivo
Se utilizaron semillas de pepino americano var. Centauro F1 (FitoSeeds). La siembra se realizó en bolsas de polietileno negro con capacidad de 10 L, estas fueron llenadas con una mezcla de sustrato de peat moss + perlita en relación 1:1 (v/v). La siembra se hizo de forma directa colocando una semilla por maceta. La nutrición del cultivo se llevó a cabo por medio de la solución nutritiva Steiner (1961) modificada. Las fuentes de nutrientes utilizadas en la solución fueron: nitrato de calcio, nitrato de potasio, sulfato de potasio, sulfato de magnesio, micro mix, ácido nítrico y ácido fosfórico. El pH se ajustó a 6.0 y la conductividad eléctrica se estabilizó en 2 dS m−1 en la solución terminada al 100%. El suministro a partir de los 15 días después de la emergencia fue a una dosis del 25%, ocho días posteriores se ajustó al 50% y, 15 días después se cambió al 100% hasta el final del cultivo. Las plantas se manejaron a un solo tallo con tutorado tipo holandés; el cultivo se mantuvo por 100 días para posteriormente cortar las plantas.
Diseño experimental
Se utilizó un diseño de bloques completos al azar con arreglo factorial 5x2, con un total de 10 tratamientos y ocho repeticiones cada uno. Se consideró una maceta como unidad experimental. La densidad de plantación fue de 2.8 plantas por metro cuadrado.
Aplicación de los tratamientos
Las nanopartículas se sintetizaron en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) en Saltillo, Coahuila, México. Las nanopartículas de óxido de zinc fueron sintetizadas por el método de precipitación usando acetato de zinc (O2CCH3)2, etanol y agua desionizada. La modificación de la superficie de las nanopartículas de óxido de zinc se llevó a cabo utilizando una relación molar MDX:ZnONPs de 1:1 bajo el método de síntesis antes mencionado usando etanol como agente de dispersión (Pérez-Velasco et al. 2020, Hsieh 2007). La maltodextrina pura se obtuvo de una fuente comercial de grado reactivo (Sigma Aldrich, catálogo 419672), la maltodextrina refinada de grado alimenticio se obtuvo comercialmente de la empresa Manuchar Inc. Los tratamientos consistieron en maltodextrina pura (MDP), maltodextrina refinada (MDX), nanopartículas de óxido de zinc (NPZnO) y nanopartículas de óxido de zinc recubiertas con maltodextrina (NPZnO-MDX), y un control (T0). Los tratamientos se aplicaron a una concentración de 1000 ppm por vía foliar y por vía drench. Las aplicaciones se iniciaron a los 15 días después de la emergencia y posteriormente cada 15 días hasta completar 5 aplicaciones.
Caracterización de las nanopartículas
La morfología y el tamaño de las nanopartículas de ZnO se obtuvieron mediante la técnica de Microscopía Electrónica de Trasmisión, se observó una distribución homogénea con tamaños menores a 100 nm y morfología esférica. Mediante la difracción de rayos X (DRX) la estructura cristalina propia de las nanopartículas de óxido de zinc fue corroborada.
Variables evaluadas
Al finalizar el periodo de la evaluación, habiendo transcurrido 100 días después de la emergencia, se hizo un muestreo destructivo de las plantas para obtener las mediciones de peso fresco aéreo (PFA) y peso seco aéreo (PSA), así como peso fresco de raíz (PFR) y peso seco de raíz (PSR). Para ello, se procedió a pesar el material vegetativo fresco de la parte aérea con ayuda de una balanza digital COBACORP®, modelo Bca. En cuanto al PFR, primeramente, se llevó a cabo un proceso de lavado de raíz para retirar el exceso de sustrato. Posteriormente se pesó a cada una de manera individual. Tanto las muestras de biomasa aérea como de raíz se sometieron a un proceso de secado en una estufa a una temperatura constante de 65 °C por 48h. Transcurrido este tiempo, se tomó el registro del peso seco con una balanza analítica en ambos casos. Durante la cosecha, los frutos obtenidos fueron trasladados al laboratorio. Ahí se tomó registro del NF y PF con una balanza digital COBACORP® modelo Bca, se registró el DPF con un flexómetro marca Truper® FH-55M, y el DEF con un vernier digital marca Truper® , modelo CALDI-6MP de cada uno de los frutos de pepino cosechados por planta.
Resultados
La maltodextrina y las nanopartículas afectaron significativamente las variables de biomasa aérea y de raíz, así como los parámetros de rendimiento de fruto; mientras que, la vía de aplicación de los bioestimulantes sólo tuvo efecto significativo en el DPF; en tanto que, la interacción de los factores en estudio afectó significativamente el PSA, NF, DPF y DEF (Tabla 1).
Tabla 1 Comparación de medias de variables agronómicas de plantas de pepino (Cucumis sativa L.) tratadas con maltodextrina y nanopartículas de óxido de zinc por diferentes vías de aplicación.
| Tratamiento | PFA (gr) | PSA (gr) | PFR (gr) | PSR (gr) | NF | PF (gr) | DPF (cm) | DEF (mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bioestimulantes | ||||||||
| T0 | 442.88 ± 27.22c | 65.78 ± 2.30b | 59.00 ± 4.84ab | 3.49 ± 0.59 c | 9.75 ± 0.68 c | 301.54 ± 29.40b | 19.83 ± 0.65c | 47.79 ± 1.52b |
| MDP | 510.25 ± 32.79a | 79.86 ± 5.24a | 60.50 ± 11.59a | 4.98 ± 1.02a | 12.63 ± 1.36a | 341.39 ± 19.22a | 21.12 ± 0.69 b | 49.61 ± 1.57a |
| MDX | 521.06 ± 44.8a | 80.29 ± 5.72a | 58.00 ± 5.54ab | 4.50 ± 0.77 ab | 11.81 ± 1.37 b | 343.09 ± 34.37 a | 21.48 ± 0.84ab | 50.15 ± 1.95a |
| NPZnO | 457.19 ± 29.24bc | 79.89 ± 8.30a | 54.44 ± 6.59b | 3.95 ± 0.81bc | 11.06 ± 0.99 b | 352.05 ± 29.22a | 21.79 ± 1.43a | 50.21 ± 2.27 a |
| NPZnO+MDX | 479.06 ± 40.8b | 79.52 ± 6.81a | 61.63 ± 8.55a | 4.46 ± 0.89ab | 11.06 ± 1.18 b | 347.95 ± 24.56a | 21.50 ± 0.91ab | 50.38 ± 1.61 a |
| ANOVA | 0.0001 | 0.0001 | 0.0484 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 |
| Vía de aplicación | ||||||||
| Foliar | 479.88 ± 48.71a | 76.60 ± 8.64a | 59.38 ± 7.77a | 4.40 ± 1.00a | 11.10 ± 1.48a | 333.08 ± 34.53a | 20.97 ± 1.05b | 49.62 ± 2.09a |
| Drench | 484.30 ± 43.50 a | 77.14 ± 7.63a | 58.05 ± 8.28a | 4.15 ± 0.91 a | 11.43 ± 1.46a | 341.33 ± 30.71a | 21.32 ± 1.24a | 49.63 ± 1.95a |
| ANOVA | 0.5644 | 0.6678 | 0.4429 | 0.1862 | 0.1809 | 0.1619 | 0.0414 | 0.9589 |
| Bioestimulantes*Vía de aplicación | ||||||||
| ANOVA | 0.0575 | 0.0133 | 0.2054 | 0.2154 | 0.0036 | 0.1024 | 0.0001 | 0.0485 |
| C.V % | 7.08 | 7.32 | 13.07 | 19.47 | 9.54 | 7.73 | 3.58 | 3.27 |
T0 = tratamiento control, MDP = maltodextrina pura, MDX = maltodextrina refinada, NPZnO = nanopartículas de óxido de zinc, NPZnOMDX = nanopartículas de óxido de zinc recubiertas con maltodextrina, C.V = coeficiente de variación. Letras diferentes significan diferencia significativa entre tratamientos según la prueba de LSD de Fisher (P ≤ 0.05).
En general, a excepción del PFR, la mayoría de los bioestimulantes evaluados superaron estadísticamente al T0 en los parámetros de producción de biomasa y parámetros de rendimiento de fruto (Tabla 1). Se observó diferencias estadísticas en el PFA, el mayor valor se obtuvo al aplicar MDP y MDX; en tanto que, el PSA, PF y DEF no mostraron diferencias significativas entre los bioestimulantes evaluados; mientras que, el PSR fue mayor con la aplicación de MDP, MDX y NPZnO-MDX; por su parte, el NF fue mayor cuando se aplicó MDP; en tanto que, el DPF fue mayor al aplicar MDX, NPZnO y NPZnO-MDX, principalmente cuando los bioestimulantes se aplicaron vía drench (Tabla 1).
El Análisis de varianza para la interacción de los factores en estudio (Tabla 1) mostró que los bioestimulantes y vía de aplicación evaluados promueven diferente efecto sobre el PSA (Figura 1). Todos los bioestimulantes presentaron mayor PSA con respecto al T0 correspondiente; sin embargo, la vía de aplicación mostro diferencias, debido que al tratar las plantas con MDP vía foliar el PSA fue superior que al aplicarlo vía drench; mientras que, al aplicar NPZnOel PSA fue mayor al aplicarlo vía drench; en tanto que al tratar las plantas con MDX y NPZnO-MDX el PSA fue similar en las dos vías de aplicación (Figura 1).
Figura 1 Peso seco aéreo de plantas de pepino tratadas con maltodextrina y nanopartículas en diferentes vías de aplicación. Letras diferentes entre columnas indican diferencias estadísticas significativas (P ≤ 0.05).
Así mismo, la interacción de los factores estudiados (Tabla 1) indicaron que los bioestimulantes y vía de aplicación tuvieron diferente efecto sobre el NF (Figura 2). Al aplicar vía foliar los bioestimulantes se observó que con MDP y NPZnO el NF fue significativamente superior al T0 correspondiente, superándolo por un 31.57 y 13.86%, respectivamente; en tanto que, en la aplicación vía drench todos los bioestimulantes superaron significativamente al T0 correspondiente, con un incremento del 27.20, 32.39, 12.98 y 20.76% (MDP, MDX, NPZnO y NPZnO-MDX), respectivamente. Así mismo, se observó que, dentro de los bioestimulantes evaluados, el NF fue mayor al aplicar MDP y MDX, esta última sólo vía drench.
Figura 2 Número de frutos de plantas de pepino tratadas con maltodextrina y nanopartículas en diferentes vías de aplicación. Letras diferentes entre columnas indican diferencias estadísticas significativas (p ≤ 0.05).
La interacción de los factores en estudio (Tabla 1) mostró que los bioestimulantes y la vía de aplicación afectaron de forma diferente el DPF y DEF de pepino (Figura 3A y 3B). Se observó que todos los bioestimulantes presentaron un DPF significativamente superior que los T0 correspondientes; sin embargo, dentro de los bioestimulantes aplicados, el DPF fue significativamente superior al aplicar las NPZnO vía drench, con un incremento del 14.04% respecto al T0 correspondiente (Figura 3A). De igual forma, a excepción de la aplicación de MDP vía drench, todos los bioestimulantes presentaron un DEF significativamente superior al obtenido con losT0 correspondientes y, en promedio, fueron similares entre ellos; sin embargo, a diferencia del resto de los tratamientos evaluados, la vía de aplicación de MDP afectó significativamente el DEF, ya que se obtuvo un mayor DEF cuando se aplicó MDP vía foliar (Figura 3B).
Discusión
Los nanofertilizantes, como las NPZnO, debido a su naturaleza permiten una liberación lenta y una absorción eficiente de nutrientes por parte de los cultivos (Elemike et al. 2019), logrando un mejor desarrollo de las plantas como se ha reportado en otros estudios (Pérez-Velasco et al. 2020, Ghani et al. 2022, Kaningini et al. 2022). Así mismo, el efecto estimulante de las nanopartículas ha sido atribuido al hecho de tener cargas superficiales que interactúan con las células vegetales lo que induce una respuesta positiva en el crecimiento de la planta (Sing et al. 2023, Juárez-Maldonado et al. 2019). Por otro lado, la maltodextrina es un polisacárido derivado de la hidrólisis del almidón que se usa en múltiples áreas de la industria (Yang et al. 2022), como en la microencapsulación de minerales (Lolodi 2011). Pérez-Velasco et al. (2020) indicaron que las NPZnO recubiertas con maltodextrina mejoraron la altura de la planta, peso seco raíz y peso seco de tallo; así mismo, en esta investigación se reportó que al agregar maltodextrina sin NPZnO se observó un crecimiento y producción de biomasa de las plantas similar al obtenido con las NPZnO recubiertas con maltodextrina, por lo que, estos investigadores indicaron que la maltodextrina actúa como estimulante de plantas, lo que puede confirmarse con lo encontrado en nuestro trabajo. El poder bioestimulante de los polisacáridos, como la maltodextrina, se basa en la función elicitora al interactuar con las células vegetales, promoviendo una respuesta del sistema secundario vegetal, así como aporte directo de energía dada su composición de cadenas de azúcares ayudando a ser más eficiente el mecanismo fotosintético de fijación de carbono (Omoarelojie et al. 2021). En este trabajo se observó que al aplicar MDP, MDX y NPZnO-MDX mejoró el PFA y PSR de las plantas de pepino, así como un mayor PSA al tratar las plantas con MDP, MDX, NPZnO y NPZnO-MDX comparado al obtenido en plantas no tratadas con éstos bioestimulantes, lo que reitera el efecto positivo de las nanopartículas y maltodextrina en el desarrollo de las plantas. Sin embargo, se observó que dentro de los bioestimulantes evaluados, las NPZnO presentaron una ligera menor producción de biomasa de las plantas de pepino. Se ha indicado que las NPZnO debido a su tamaño nanométrico presenta problemas de estabilidad y dispersión (Pérez-Velasco et al. 2020), lo que podría afectar su eficiencia como nanofertilizantes. Este problema de las nanopartículas se reduce al utilizar un recubrimiento o encapsulado (Kolbert et al. 2022). Lo anterior puede explicar la menor producción de biomasa de las plantas de pepino (PFA, PFR y PSR) con las NPZnO comparado con las NPZnO-MDX. Dentro de la vía de aplicación de la maltodextrina, se observó que el PSA de las plantas de pepino fue similar en las dos vías de aplicación de MDX; en tanto que, al aplicar MDP el mayor PSA se obtuvo al aplicar este bioestimulante vía foliar. Por otro lado, al aplicar NPZnO se observó un mayor PSA al aplicar este bioestimulante vía drench. Estos resultados no concuerdan con lo reportado por Pérez-Velasco et al. (2020), quienes reportaron una mayor altura de planta, peso seco de tallo y peso seco de raíz al aplicar maltodextrina vía drench, esto pudo deberse a la mayor concentración utilizada en nuestro trabajo; mientras que, la vía de aplicación de las NPZnO fue similar en la aplicación vía foliar y drench. Relacionado a la diferencia en los resultados, Gonzáles-Morales et al. (2022) señala que efecto positivo o negativo de los bioestimulantes vegetales dependerá de la especie vegetal, la concentración, características del bioestimulante y la vía de aplicación.
El aumento del rendimiento a menudo se asocia con la mejora de la calidad de los frutos, la cual está determinada por las propiedades organolépticos y agronómicas, como el tamaño del fruto (Di Vittori et al. 2018). Los bioestimulantes vegetales debido a que tienen la capacidad de modificar los procesos fisiológicos de las plantas, como la fotosíntesis, proporcionan beneficios potenciales para mejorar el desarrollo del fruto (Farouk 2023, Giraldo et al. 2014). A pesar de que aun, no se sabe a profundidad el mecanismo de acción de la maltodextrina y NPZnO como bioestimulantes, en este trabajo se observó que la maltodextrina y nanopartículas, aplicados a 1 000 ppm, demostraron un efecto estimulante en los parámetros de rendimiento como en NF, PF, DPF y DEF de pepino. La maltodextrina presentó el mayor NF, principalmente cuando se aplicó MDP por ambas vías y MDX vía drench. Relacionado a la respuesta anterior, se ha señalado que los bioestimulantes que contiene carbohidratos, como es el caso de la maltodextrina, alteran el metabolismo de las plantas al actuar como moléculas de señalización, con lo que se reduce el alcance de la respuesta negativa de las plantas al estrés y se aumenta la asignación de biomasa al componente de rendimiento cosechado (Brown y Saa 2015). Así mismo, la maltodextrina y nanopartículas aumentaron el PF, DPF y DEF, aunque el PF y DEF fue similar entre los bioestimulantes evaluados, pero el DPF de pepino fue superior al aplicar NPZnO. La mejora en la producción de los cultivos al aplicar nanopartículas, como NPZnO, podría ser consecuencia de una mayor movilidad o disponibilidad para su absorción por las plantas (Dimkpa et al. 2020). Rivera-Gutiérrez et al. (2021) reportaron que al aplicar NPZnO vía foliar a dosis de 200 mg L−1 a plantas de melón se logró un incremento del peso de los frutos. Así mismo, Kolenčík et al. (2022) al aplicar 1 mg L−1 de NPZnO vía foliar observó un incremento del número de vainas, peso de mil semillas y el rendimiento de lenteja.
Conclusiones
La aplicación de maltodextrina y nanopartículas, tuvo efectos bioestimulante incrementando la acumulación de biomasa y mejorando los parámetros de rendimiento en las plantas de pepino. La MDP suministrada por ambas vías de aplicación y la MDX vía drench incrementan el número de frutos por planta; las NPZnO vía drench incrementaron el DPF. Las NPZnO sin recubrimiento a dosis de 1 000 ppm tuvieron efectos negativos en la producción de biomasa de las plantas de pepino. La información disponible sobre los efectos benéficos de la maltodextrina como promotor de crecimiento en plantas es limitado, por lo que, los resultados encontrados en este trabajo pueden ayudar a entender los efectos estimulantes de este polisacárido en las plantas cultivadas y su impacto en el crecimiento y en los parámetros de rendimiento de fruto.
