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Introducción
El uso de bioestimulantes es una estrategia para el desarrollo de los cultivos, ya que al aplicarse en las plantas estimulan procesos naturales que benefician la absorción de nutrientes, incrementan la tolerancia al estrés biótico o abiótico, mejoran la calidad de frutos e incrementan el rendimiento (Du-Jardin 2015, Tanya y Leiva-Mora 2019). Dentro de la clasificación de los bioestimulantes, se encuentran los biopolímeros como el quitosán (Cs), el cual es un subproducto de la industria de los mariscos (Reyes-Pérez 2020). El quitosán posee una amplia variedad de efectos en las plantas, ya que actúa como elicitor vegetal induciendo la producción de fitoalexinas; protege a las plantas de enfermedades por patógenos inhibiendo el crecimiento microbiano; activa la vía de las MAP-cinasas induciendo la expresión de genes de defensa; además, participa en la síntesis de alcaloides y reguladores del crecimiento vegetal (Yu et al. 2021). Sin embargo, este polímero presenta insolubilidad en medios acuosos lo que limita su potencial de aplicación (Jiménez-Gómez y Cecilia 2020). Recientemente, las nanopartículas basadas en quitosán (NPsCs) han demostrado un efecto positivo en las plantas como mejoradores de suelo y bioestimulantes frente a diferentes tipos de estrés en los cultivos, mostrando una mayor efectividad que el material original (Jakhar et al. 2022). Así mismo, se ha estudiado el potencial como nanomaterial por su capacidad de interacción con otras moléculas y por su disponibilidad de grupos hidroxilo y amino que proporcionan una excelente plataforma para la formación de complejos con otras moléculas/compuestos, ayudando a transformarlos en complejos más estables con mejores propiedades (Chandrasekaran et al. 2020). Tal es el caso del yodo (I), que es un oligoelemento traza esencial para la dieta de los seres humanos que regula el metabolismo en general y es un componente esencial de las hormonas tiroideas tiroxina (T4) y triyodotironina (T3), que son fundamentales para el funcionamiento del hígado, los riñones, los músculos, el cerebro y el sistema nervioso central (Issue et al. 2022). A nivel mundial se estima que del 30 al 45% de la población presenta trastornos por deficiencia de I (TDI) debido a una baja ingesta desarrollando principalmente bocio, cretinismo, hipotiroidismo, déficit mental y muerte al nacer (Jácome-Roca 2021). El I es un elemento que no se incluye en los planes de fertilización de las plantas, ya que no es considerado un elemento esencial para éstas (Duborská et al. 2022). Algunos estudios han demostrado efectividad en la acumulación de I en la producción de cultivos con aplicaciones foliares y al sustrato en forma de yoduro de potasio (KI) y yodato de potasio (KIO3), demostrando mayor efectividad la aplicación foliar en hortalizas de hoja (Kiferle et al. 2021), y en plantas de frutilla (Silva-Marrufo et al. 2020). Sin embargo, el efecto del I en las plantas está determinado por múltiples factores que incluyen la concentración aplicada, el tipo de sal de I aplicada y la especie de planta (Riyazuddin et al. 2022). En este sentido, el cultivo de tomate representa una alternativa para evaluar la bioestimulación con NPsCs-I, ya que tiene un alto incide de consumo en fresco que aporta nutrientes a la dieta (vitaminas, minerales, antioxidantes), además de tener relevancia económica para nuestro país (Li et al. 2021). Por lo tanto, el objetivo fue la evaluación de complejos de nanoquitosán-yodo (NPsCs-I) en plantas de tomate para determinar su efecto bioestimulante relacionado con variables de crecimiento y vigor.
Materiales y métodos
Síntesis de complejos de NPsCs-I
La síntesis de los complejos de NPsCs-I se realizó en el Centro de Investigación de Química Aplicada (CIQA). Se utilizó quitosán (Cs) de un peso molecular viscosimétrico de 200 000 g mol-1 de la marca Marine Chemicals (Marine, Hydrocolloids, Kerala, India), se preparó una solución al 0.5% (v/v) con agua desionizada y se filtró. Se utilizó la metodología descrita por Manikandan y Sathiyabama (2016) con algunas modificaciones. Las NPsCs se formaron por la interacción electrostática entre el grupo amino protonado del quitosán y el grupo fosfato cargado negativamente del tripolifosfato de sodio (TPP) (Sigma-Aldrich, USA) al 0.5% (p/v), el cual fue incorporado a la solución por goteo en una relación 3:1 (v/v) de Cs:TPP y se dejó agitando durante 24 h en una parrilla de agitación de la marca Thermo a 400 rpm. Posteriormente la suspensión coloidal se centrifugó a 8 500 rpm durante 15 minutos a 5 °C, el precipitado se lavó dos veces para eliminar las sustancias sin reaccionar y se secó por liofilización en un equipo de la marca LABCONCO. Para preparar las dispersiones de las NPsCs se mezcló 1 g en 100 mL de agua desionizada, 2 mL de tween 80 y 2 mL de Bionex (adherente) y se dispersaron en un sonicador al 50% de frecuencia durante 3 min por tres ciclos y se aforó a 1 L. Para la formación de complejos se siguió el procedimiento descrito anteriormente incorporando a la suspensión coloidal soluciones de KI y KIO3. Los tratamientos, solo con sales yodadas se prepararon en agua desionizada con 5 y 25 mg L-1 de KI y KIO3. El tamaño de las NPsCs fue de 100-500 nm, de los complejos NPsCs-I con KI de 50-250 nm y con KIO3 de 50-450 nm, presentando todas las nanopartículas una forma esférica, las demás caracterizaciones se encuentran actualmente en proceso, así como la solicitud de la patente Ortega-Ortiz et al. (2022).
Ubicación del experimento
El estudio se realizó en la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, en Saltillo, Coahuila, México, durante el periodo de mayo-octubre 2022 en un invernadero tipo capilla del departamento de Horticultura de la UAAAN. La temperatura promedio fue de 28 °C y 50 a 60% de humedad relativa.
Manejo de cultivo
Se utilizaron semillas de Lycopersicum esculentum el CID F1 de la casa comercial Harris Moran sembradas en charolas de poliestireno de 200 cavidades. A los 24 días después de la siembra, se trasplantaron en bolsas de polietileno de 10 L de capacidad, usando como sustrato peat moss y perlita (1:1 v/v). La nutrición fue provista a través de una solución Steiner de acuerdo con su etapa fenológica ( Steiner 1961). Las plantas se distribuyeron a una distancia de 30 cm entre plantas y 100 cm entre filas. El cultivo se desarrolló a un solo tallo, hasta la producción del sexto racimo dando un manejo de labores culturales de inicio a fin, tales como clip de inicio y tutoreo, deshoje, desbrote, enreda y cosecha. La duración del experimento fue de 120 días después del trasplante (ddt).
Diseño experimental
El experimento se realizó siguiendo un diseño de bloques completos al azar con 10 tratamientos y cinco unidades experimentales de cuatro plantas por tratamiento. Los tratamientos se describen a continuación: testigo absoluto (T0), tratamiento control de nanoquitosán (NPsCs), cuatro tratamientos con las sales: KI a 5 y 25 mg L-1, KIO3 5 y 25 mg L-1 y cuatro complejos NPsCs-KI con 5 y 25 mg L-1 y NPsCs-KIO3 con 5 y 25 mg L-1. La aplicación de los tratamientos se realizó desde el trasplante y en intervalos de 15 días, en un horario de 7:00 a 10:00 am para facilitar la difusión de los complejos debido a la apertura estomática. En total se realizaron ocho aplicaciones a lo largo del ciclo las cuales se realizaron de manera foliar asperjándose con un atomizador manual de presión controlada de la marca truper en el haz de la hoja.
Variables evaluadas
La evaluación de variables agronómicas fue en intervalos de 20 días a los 20, 40, 60, 80 y hasta los 120 ddt (días después del trasplante), midiendo diámetro de tallo (mm) con un vernier digital a partir de dos centímetros del cuello de la raíz, número de hojas mediante conteo manual y altura de planta (m) con un flexómetro midiendo desde el cuello de la raíz hasta la axila de la hoja más joven. La variable de conductancia estomática se midió con un porómetro marca Decagon Devices Inc modelo SC-1 a los 60 y 120 ddt. El cultivo se desarrolló a un solo tallo y se llevó a producción hasta el sexto racimo evaluando el rendimiento en g planta-1, número de frutos por planta y biomasa fresca y seca (g). Las variables agronómicas y de rendimiento se midieron en 5 repeticiones compuestas por cuatro plantas. En el caso de conductancia estomática y biomasa se midieron 3 repeticiones compuestas por dos plantas por tratamiento.
Resultados y discusión
Variables agronómicas
Los resultados de este trabajo se enfocaron en evaluar el efecto bioestimulante de complejos de NPsCs-I en el crecimiento y vigor de plantas de tomate, debido a la naturaleza de los compuestos que conforman el complejo. En la Figura 1, se muestran los resultados de la variable diámetro de tallo, en la cual se encontraron diferencias significativas entre tratamientos con respecto al testigo absoluto (T0) a los 20, 60 y 120 ddt. En etapa de plántula a los 20 ddt con la aplicación de NPsCs-KIO3 con 25 mg L-1 se presentó un incremento significativo del 28.94% con respecto al testigo (T0). Así mismo, en etapa vegetativa a los 60 ddt con un total de cuatro aplicaciones consecutivas, la aplicación de NPsCs-KIO3 con 5 mg L-1 presentó un incremento significativo del 37% con respecto a T0. Actualmente no hay información acerca del efecto bioestimulante de los complejos de NPsCs-I. Sin embargo, el efecto observado en las plantas tratadas con NPsCs-I se puede asociar a la interacción entre las estructuras moleculares de las células y los complejos del nanomaterial de estudio (Juárez-Maldonado et al. 2019). Así mismo, el uso de nanopartículas puede estimular el crecimiento vegetativo en algunas especies al actuar como bioestimulantes, lo que favorecería su desarrollo y crecimiento (Sathiyabama y Manikandan 2021). En este sentido, el uso de nanomateriales es capaz de alterar algunos de los procesos fisiológicos de las plantas al aumentar la eficiencia del uso de nitrógeno y mejorar la tasa fotosintética (Ali et al. 2021). Algunos estudios, señalan que la aplicación de NPsCs mejora la actividad metabólica y el transporte de fotosintatos de manera más eficiente a través de las membranas celulares, lo que se ve reflejado en el vigor de los cultivos (Attaran-Dowom et al. 2022). Dicho fenómeno se asocia a la facilidad de absorción de las NPsCs por las hojas, transportadas a los tallos que mejoran el aprovechamiento de moléculas activas, incrementando el crecimiento y el rendimiento de las plantas (Bakhoum et al. 2022). Algunos autores como Choudhary et al. (2017) demostraron un incremento de diámetro de tallo con tendencia similar a la de este estudio en nanopartículas de quitosán con cobre, atribuyendo el efecto a la interacción entre materiales. En este sentido, existe limitada información de la interacción de complejos de quitosán-yodo (Cs-I), sin embargo, Dávila-Rangel et al. (2020) demostraron que los complejos de quitosán-yodo (Cs-I) a concentraciones de 5 y 25 mg L-1 de KIO3 aumenta la biomasa total en el cultivo de lechuga.
Figura 1 Diámetro de tallo en plantas de tomate tratadas con complejos de nanoquitosán-yodo (NPsCs-I) aplicados foliarmente. El símbolo * indica diferencias significativas entre tratamientos y ns las diferencias no significativas (LSD, p ≤ 0.05). Las barras muestran el error estándar.
Finalmente, a los 120 ddt, con ocho aplicaciones de los tratamientos, la aplicación del nanoquitosán (NPsCs) mostró un aumento del 26.96% con respecto al (T0). Por el contrario, en la variable de número de hojas no se observaron diferencias significativas con respecto al testigo absoluto (Figura 2), sin embargo, se observaron diferencias entre tratamientos a los 60 y 80 ddt. En cuanto a los tratamientos a los 60 ddt, la aplicación con NPsCs-KI con 5 mg L-1 incrementó un 22.29% con respecto al tratamiento KI 25 mg L-1, lo que podría indicar una mayor eficiencia del uso de nanomateriales considerando al nanoquitosán como un potencial vehículo para la retención de I (Jakhar et al. 2022). Dicho fenómeno, se puede atribuir al incremento en el contenido de clorofila en las plantas, lo que les permite sintetizar más complejos para la recolección de luz, absorber más energía luminosa y mejorar la fotosíntesis (Ali et al. 2021). A su vez el incremento de la tasa fotosintética promueve el aprovechamiento de los fotosintatos en la formación y desarrollo de brotes nuevos (Reyes Pérez 2020). En este sentido, Malerba y Cerana (2019) mencionan que el potencial del quitosán radica en la capacidad de absorción en la epidermis de hojas y tallos, prolongando el tiempo de contacto y facilitando la absorción de las moléculas bioactivas. Así mismo, a los 80 ddt la aplicación de NPsCs-KIO3 con 5 mg L-1 incrementó el número de hojas un 27.42% con respecto al tratamiento KI 25 mg L-1 que produjo el menor número de hojas al finalizar el ciclo de cultivo. El fenómeno está estrechamente relacionado con la concentración de sales empleadas, ya que la literatura indica que en valores superiores a 10 µM, dependiendo de la especie, podría representar un efecto tóxico que podría impactar en la morfología de la planta (Riyazuddin et al. 2022).
Figura 2 Número de hojas en plantas de tomate tratadas con complejos de nanoquitosán-yodo (NPsCs-I) aplicados foliarmente. El símbolo * indica diferencias significativas entre tratamientos y ns las diferencias no significativas (LSD, p ≤ 0.05). Las barras muestran el error estándar.
En cuanto a la altura de plantas no se observaron diferencias significativas con respecto al testigo absoluto (Figura 3). En este sentido, algunos autores, han observado efectos similares en el cultivo de tomate con aplicaciones exógenas de complejos al sustrato, donde no se observa un efecto significativo con respecto a parámetros de crecimiento en concentraciones similares a las de este estudio (Dávila-Rangel et al. 2020). Por otro lado, algunos estudios señalan que a una mayor concentración de KI (> 50 µM) y KIO3 (> 400 µM) puede ser toxica e impactar negativamente en el área foliar, la materia seca total de la planta y la altura de la planta (Incrocci et al. 2019). Sin embargo, en este estudio su aplicación no mostró efectos significativos durante el ciclo de cultivo, observando un crecimiento uniforme entre los tratamientos evaluados.
Figura 3 Altura en plantas de tomate tratadas con complejos de nanoquitosán-yodo (NPsCs-I) aplicados foliarmente. El símbolo * indica diferencias significativas entre tratamientos y ns las diferencias no significativas (LSD, p ≤ 0.05). Las barras muestran el error estándar.
En la Figura 4, se observan los resultados de la conductancia estomática mostrando diferencias significativas entre tratamientos a los 60 ddt. La aplicación de NPsCs-KI 25 mg L-1 presentó un incremento del 36% con respecto a KIO3 25 mg L-1, lo que podría indicar que dicho tratamiento no presentó una limitante con respecto a la medida de la velocidad de paso de CO2 o vapor de agua a través de los estomas de la hoja, esto se relaciona con la apertura estomática en respuesta a la disponibilidad de agua desde las raíces (Bieto y Talón 2008, Carmona et al. 2020). Por lo anterior, el fenómeno ocurrido en los tratamientos evaluados está relacionado con incremento en el flujo de CO2, el cual se puede asociar a un aumento en el área foliar y por consiguiente en la producción de masa seca foliar (Josefa Ruiz-Padrón 2020). Algunos autores, mencionan que las NPsCs inducen el sistema de defensa antioxidante, aumentan la producción de compuestos fenólicos, osmorreguladores y promueven el intercambio de gases en las hojas, lo que podría verse reflejado en una mejor tasa fotosintética (Bandara et al. 2020). Así mismo, se demostró que las NPsCs muestran una actividad antitranspirante dependiente del ácido abscísico (ABA) debido a la inducción del cierre estomático en respuesta a diversas condiciones de estrés, regulando el cierre de estomas y la expresión de genes que responden al estrés (Attaran-Dowom et al. 2022). Sin embargo, al término del ciclo de cultivo no se observaron diferencias significativas en esta variable, lo que podría estar relacionado a la etapa fenológica del cultivo, así como las condiciones de desarrollo del cultivo.
Variables de rendimiento
Los resultados de rendimiento del cultivo a los 120 ddt se muestran en la Tabla 1, encontrando que las plantas de tomate bajo las condiciones evaluadas lograron producir una media de 2620 g planta-1, sin embargo, no se observaron diferencias significativas entre tratamientos. Autores como Dávila-Rangel et al. (2020) observaron que la aplicación exógena de KI y KIO3, no afectó el rendimiento del cultivo de lechuga, tal como se observó en esta investigación. Por otro lado, Ajiwe et al. (2019) observaron un incremento en el rendimiento de tomate con aplicaciones exógenas de KI y KIO3 superiores a las de esta investigación. Algunos autores mencionan que a concentraciones de 10 y 100 µM de KIO3 y KI en algunas especies vegetales pueden generar un impacto negativo en el rendimiento y reducir el crecimiento general de la planta (Kiferle et al. 2021). En cuanto al número de frutos por planta, la aplicación de NPsCs-KI con 5 mg L-1 presentó un incremento del 56% con respecto a KI 25 mg L-1, dicho efecto se le podría atribuir a la composición nanométrica del complejo, en este sentido algunos autores como Sathiyabama y Manikandan (2021) señalan mayor efectividad con el uso del nanoquitosán con respecto al material original, encontrando un efecto estimulante en el crecimiento y rendimiento de los cultivos. En la variable de biomasa fresca y seca, no se observaron diferencias significativas entre tratamientos (Tabla 1). Contrario con lo que se encontró en estudios anteriores Dávila-Rangel et al. (2020) demuestran que los complejos de quitosán-yodo (KIO3) a concentraciones de 5 y 25 mg L-1 aumentaron la biomasa total en el cultivo de lechuga. Sin embargo, los resultados obtenidos coinciden con lo observado en la variable de conductancia estomática, ya que a los 120 ddt, no se observaron diferencias significativas entre tratamientos, lo que indico que al no generar un incremento en el flujo de CO2, el cual se puede asociar a un aumento en el área foliar y por consiguiente en la producción de masa seca foliar no genero un incremento en la biomasa de las plantas (Josefa Ruiz-Padrón 2020). Así mismo, autores como Caffagni et al. (2011) atribuyen un impacto negativo en el incremento de biomasa con aplicaciones exógenas de yodo en cultivo de tomate, debido a que en concentraciones fuera del rango optimo representan toxicidad para las plantas lo que puede justificar el fenómeno observado. En este sentido, Fuentes et al. (2022) presentan resultados similares a los generados en esta investigación con aplicaciones exógenas de I en el cultivo de tomate.
Tabla 1 Rendimiento y biomasa en plantas de tomate tratadas con complejos de nanoquitosán-yodo (NPsCs-I) aplicados foliarmente.
| Tratamientos | Rendimiento (g planta-1) | Número de frutos por planta | Biomasa fresca (g planta -1) | Biomasa seca (g planta -1) |
|---|---|---|---|---|
| T0 | 2778.48 a | 36.50 ab | 972.26 a | 220.95 a |
| NPsCs | 2561.22 a | 33.20 ab | 1130.76 a | 234.44 a |
| KI 5 mg L-1 | 2772.31 a | 35.10 ab | 958.59 a | 202.52 a |
| KI 25 mg L-1 | 2469.88 a | 29.95 b | 1048.42 a | 235.64 a |
| NPsCs-KI 5 mg L-1 | 2308.98 a | 48.65 a | 863.09 a | 216.19 a |
| NPsCs-KI 25 mg L-1 | 2755.47 a | 33.05 ab | 926.76 a | 206.82 a |
| KIO3 5 mg L-1 | 2759.52 a | 38.80 ab | 964.42 a | 227.54 a |
| KIO3 25 mg L-1 | 2469.88 a | 35.40 ab | 892.92 a | 237.81 a |
| NPsCs-KIO3 5 mg L-1 | 2790.48 a | 38.10 ab | 969.92 a | 224.56 a |
| NPsCs-KIO3 25 mg L-1 | 2520.10 a | 33.70 ab | 975.26 a | 244.18 a |
Letras diferentes indican diferencias significativas entre tratamientos (LSD, p ≤ 0.05).
Se concluye que la aplicación de NPsCs y NPsCs-KIO3 en sus dos concentraciones (5 y 25 mg L-1), promovieron el aumento en el diámetro de tallo, lo que se puede traducir como un indicador del vigor de las plantas de tomate, debido a que un incremento en el diámetro de tallo implica una mayor traslocación de agua y nutrientes, promoviendo el crecimiento de las plantas. Dichos complejos representan una alternativa para la formulación de bioestimulantes que mejoren el vigor de la planta como consecuencia de la sinergia de sus componentes y la interacción con la planta.
