Introducción
⌅El
ritmo acelerado del cambio climático, junto con el aumento de la
población y de los ingresos a nivel mundial, amenaza la seguridad
alimentaria en todas partes del mundo. La agricultura es extremadamente
vulnerable al cambio climático, lo que ha causado preocupación entre los
científicos ya que los factores climáticos indispensables para el
crecimiento de los cultivos, como son la precipitación y la temperatura,
se verán severamente afectados e impactarán sobre la producción
agrícola. Según Expósito (2019)Expósito,
L.J. (2019): Cambio climático y agricultura campesina: impactos y
respuestas adaptativas. X Congreso Cubano de Meteorología. Habana Libre,
La Habana, Cuba.
, las pérdidas de la producción se
intensificarán de acuerdo con el incremento de las temperaturas y las
diferencias en la precipitación; por lo que los efectos sobre el
bienestar de miles de agricultores serán muy severos. En general,
podemos decir que el impacto del cambio climático será considerable para
los países en desarrollo, debido a su dependencia económica de la
agricultura y los recursos naturales, a la baja capacidad adaptativa y a
su ubicación geográfica en zonas más vulnerables. La producción de
granos disminuirá entre un 2,5-5,0 % en la región de Latinoamérica
debido al cambio climático por varias causas, entre ellas la sequía, que
en ocasiones genera pérdidas entre un 10 y 100 %.
Dentro de los granos, el frijol común (Phaseolus vulgaris L.) es la leguminosa más importante para la alimentación en el trópico
de América Latina. La producción mundial de este cultivo alcanza los
30,4 millones de toneladas y entre los países mayores productores se
encuentran la India, Myanmar; Brasil, Estados Unidos, China, Tanzania y
México (FAOSTAT, 2021FAOSTAT, F. (2021). La Producción mundial de frijol (Phaseolus vulgaris L.), [en línea], Inst. FAOSTAT, Roma Italia, Disponible en: http://www.fao.org/faostat/es/#data/QC.
).
En el caso de Cuba se cosecharon unas 73 mil hectáreas de frijoles en
el 2020, con una producción total de 65 toneladas y rendimiento agrícola
promedio de 0,89 t.ha-1 (ONEI, 2020ONEI-CUBA:
Anuario estadístico de Cuba 2020. Edición 2021, [en línea], Inst.
Oficina Nacional de Estadística e Información, Infome anual, La Habana,
Cuba, 2021, Disponible en: http://www.onei.cu.
), los que no son los óptimos del cultivo.
El
frijol común, al igual que otros cultivos de importancia económica, es
afectado durante su crecimiento y desarrollo por factores ambientales
adversos como: las precipitaciones, la temperatura, la humedad, el
viento, la luminosidad y la mala distribución, en gran proporción, del
área cultivada (Karimzadeh-Soureshjani et al., 2020Karimzadeh-Soureshjani,
H.; Nezami, A.; Kafi, M.; Tadayon, M. (2020). The effect of deficit
irrigation on dry matter partitioning, mobilization and radiation use
efficiency of common bean (Phaseolus vulgaris L.). Communications in Soil Science and Plant Analysis, 51(3): 307-326 https://doi.org/10.1080/00103624.2019.1705323.
).
En estas regiones, el frijol es actualmente cultivado por pequeños
agricultores, con frecuencia en condiciones no favorables y con mínimo
uso de insumos.
Este cultivo no alcanza su máximo potencial
productivo debido a que no se cuenta con variedades adaptadas al estrés
hídrico. Una estrategia de adaptación, propuesta recientemente, para
mitigar los efectos del cambio climático incluye el uso de
variedades/especies adaptadas localmente, con adaptaciones más
apropiadas al clima (Expósito, 2019Expósito,
L.J. (2019): Cambio climático y agricultura campesina: impactos y
respuestas adaptativas. X Congreso Cubano de Meteorología. Habana Libre,
La Habana, Cuba.
). El desarrollo de cultivares
adaptados a estas condiciones extremas es una opción posible para
contribuir a la seguridad alimentaria de una población creciente que
requiere incrementos significativos en la producción de alimentos (Polania et al., 2016Polania,
J.; Poschenrieder, C.; Rao, I.; Beebe, S. (2016): Estimation of
phenotypic variability in symbiotic nitrogen fixation ability of common
bean under drought stress using 15N natural abundance in grain, European Journal of Agronomy, 79: 66-73, Publisher: Elsevier, ISSN: 1161-0301. https://doi.org/10.1016/j.eja.2016.05.014.
). Por ello, el objetivo de este trabajo fue evaluar la germinación de dos cultivares de frijol común (Phaseolus vulgaris L.), expuestos a diferentes regímenes de estrés hídrico in vitro.
Materiales y métodos
⌅Material vegetal y condiciones de laboratorio
⌅Los experimentos se realizaron en el Laboratorio de Fisiología Vegetal del Departamento de Recursos Fitogenéticos y Semillas, del Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical (INIFAT), en la localidad de Santiago de las Vegas, municipio Boyeros, La Habana, Cuba. Se utilizaron semillas de las variedades cubanas CC-25-9R (grano rojo) y CULL-156 (grano negro), las cuales se cultivaron y cosecharon en el municipio de Imías, en la provincia de Guantánamo, Cuba.
Desinfección de las semillas
⌅Las semillas se lavaron inicialmente con agua destilada estéril, seguida de una desinfección con una solución de etanol 70 % (v/v) por 2 min mediante agitación manual. A continuación, se colocaron en una solución de hipoclorito de sodio al 2 % (v/v) y se agitaron de forma manual durante 5 min. Las semillas desinfectadas se enjuagaron al menos tres veces con agua destilada estéril.
Prueba de germinación en condiciones de estrés hídrico
⌅Las semillas fueron puestas a germinar sobre papel de filtro en placas Petri de 90 mm utilizando 25 semillas por placas y tres réplicas para cada tratamiento. El experimento se llevó a cabo a una temperatura media de 21,2 ± 0,4 oC, una humedad relativa de 53,3 ± 2,1 % y 9 h continuas de luz durante 10 días. La temperatura y la humedad se registraron diariamente con un higrotermómetro (Oregon Scientific, EE.UU). Se emplearon siete tratamientos de estrés hídrico mediante la aplicación de 20 mL de soluciones de polietilenglicol-6000 (PEG) y agua destilada como control (Tabla 1). La relación entre las concentraciones de PEG y el potencial osmótico se estableció mediante la ecuación de Michel y Kaufmann (1973), como se describe a continuación, donde C es la concentración de PEG-6000 expresada en g/kg de H2O y T es la temperatura (oC):
| Concentración de PEG-6000 (%) | 0 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 21 |
| Potencial osmótico (MPa) | 0 | -0,0657 | -0,1247 | 0,2012 | -0,2952 | -0,4066 | -0,5355 |
Evaluación de los índices fisiológicos
⌅Se efectuaron recuentos diarios del número de semillas germinadas durante 10 días a partir de ser sembradas en las placas. Las semillas se consideraron germinadas cuando presentaron una emisión de la radícula de 3 mm. En el décimo día las plántulas fueron removidas de las placas y se midió la longitud del hipocótilo y la radícula. Se calculó el porcentaje de germinación (G), el Índice de estrés (IE) para la germinación, el crecimiento del hipocótilo y la radícula; así como el porcentaje de inhibición (PI) para estas variables, mediante las siguientes fórmulas:
donde:
Análisis estadístico de los datos
⌅El experimento se llevó a cabo según un diseño completamente aleatorizado con tres réplicas. El cumplimiento de la homogeneidad de varianzas se comprobó con la prueba de Barttlet, mientras que la normalidad se comprobó con la prueba de Kolmogorov-Smirnov. Los datos fueron transformados para cumplir estas premisas del Análisis de Varianza (ANOVA, por sus siglas en inglés) de la siguiente forma: los datos expresados en porcentajes se transformaron a asen√x, mientras que la longitud del hipocótilo se transformó a log x y la de la radícula a √x. Los datos relativos a las longitudes se tomaron a partir de 4 plántulas seleccionadas al azar. Se llevó a cabo una ANOVA bifactorial, considerando como factores los genotipos y los tratamientos de déficit hídrico. Las medias diferentes se identificaron con la prueba de Tukey HSD, con un nivel de significación de p=0,05. El análisis estadístico del PI de la germinación a -0,5355 MPa se realizó mediante una prueba de t de Student, con un nivel de significación de p= 0,05. En este caso la homogeneidad de varianzas se comprobó mediante la prueba de F máxima (p= 0,05). Todos los análisis estadísticos se realizaron mediante el programa Statistic 10.0.
Resultados y discusión
⌅La media del porcentaje de germinación de la variedad CULL-156 a los diez días después de la siembra superó significativamente la de CC-25-9R, con valores de 83,0 ± 4,8 % y 61,7 ± 6,1 % respectivamente (F1,28=11,0; p= 0,003). Los porcentajes de germinación sólo mostraron diferencias entre tratamientos (F6,28 =12,7; p= 1,0 x 10-6) al potencial de -0,5355 MPa, con un valor de 23,5 ± 12,0 % (Figura 1). La interacción entre ambos factores no fue significativa (F6,28=1,1; p= 0,38).
El estrés hídrico afecta grandemente el
proceso germinativo, el cual se ha señalado como la fase crítica para
el establecimiento y desarrollo de las plantas, pues garantiza su
supervivencia (Mendoza et al., 2020Mendoza,
R.M.F.; Veitía, O.; Martirena, R.A.; Rojas, R.L.; Torres, D.;
Hernández, S.; Rivero, L. (2020). Respuesta diferencial de tres
cultivares de Phaseolus vulgaris L. al estrés hídrico in vitro inducido por PEG-6000. Biotecnología Vegetal, 20(4): 351-359, ISSN 2074-8647, RNPS: 2154. ISSN 1609-184
).
El estrés abiótico afecta diferentes indicadores morfológicos y
fisiológicos como: el porcentaje de germinación, la longitud de los
órganos vegetativos, la masa seca, la masa fresca y el vigor (Maqueira et al., 2021Maqueira-López,
L.A.; Roján-Herrera, O.; Solano-Flores, J.; Santana-Ges, I.M.;
Fernández-Márquez, D. (2021). Productividad del frijol (Phaseolus
vulgaris L.). Parte I. Rendimiento en función de variables
meteorológicas. Cultivos Tropicales, 42(3): Publisher: Ediciones INCA,
ISSN: 0258-5936, Disponible en: https://scielo.sld.cu
; Torres-Hernández et al., 2022Torres-Hernández,
Ll.; Sosa-del Castillo, M.; Pérez-Hernández, Y.; Rodríguez-Izquierdo,
L.; Cortés-Martínez, Y.; Liriano-González, R. (2022). Efecto del
polietilenglicol-6000 en la germinación y crecimiento de Phaseolus vulgaris L. cv. ‘Delicias’ Cultivos Tropicales 4 (3): e06. ISSN impreso: 02.
8-5936 Ministerio de Educación Superior. Cuba. ISSN digital: 1819-4087
).
La disminución del porcentaje de germinación con los incrementos del
potencial hídrico puede deberse tanto a cambios en los procesos
metabólicos y enzimáticos presentes en las semillas, como al desarrollo
de metabolitos inducidos por el estrés; así como a la reducción de la
difusión del agua a través del tegumento y su absorción por las
semillas, lo que provoca un déficit de hidratación. Valverde (2020)Valverde,
O.J.C, (2020): Efectos del estrés hídrico en crecimiento y desarrollo
fisiológico de Gliricidia sepium (Jacq.). Instituto Tecnológo de Costa
Rica. 23 (1). https://doi.org//10.14483/2256201X.14786
considera que el estrés hídrico es una respuesta fisiológica de las
plantas a la disminución del agua disponible en el ambiente, lo que
incide en un desequilibrio en los procesos, dentro de los cuales se
encuentra la absorción del agua, en cualquier estado de desarrollo de
las plantas. Otros autores plantean que el efecto negativo del
polietilenglicol sobre la germinación puede estar relacionado con una
disminución en el proceso de imbibición de las semillas, debido al
carácter altamente hidrofílico del polímero, que provoca una disminución
del potencial osmótico e hídrico del medio (Pérez-Hernández et al., 2018Pérez-Hernández
Y., Navarro-Boulandier M., Rojas-Sánchez L., Fuentes-Alfonso L.,
Sosa-del Castillo M. (2018). Efecto del estrés hídrico en la germinación
de semillas de Sorghum bicolor (L.) Moench cv. UDG-110. Pastos y Forrajes [Internet]. 41(4):243–52. Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S0864-03942018000400002&script=sci_arttext&tlng=pt
).
Este efecto se muestra en la Figura 2 en términos del porcentaje de inhibición de la germinación. Teniendo en cuenta que este proceso sólo resultó afectado al potencial osmótico de -0,5355 MPa (como se muestra en la Figura 1B), el porcentaje de inhibición de la germinación se calculó para este tratamiento.
Los resultados indican que la inhibición provocada a -0,5355 MPa no fue significativamente diferente entre cultivares (t= 1,63; p= 0,18), a pesar del mejor comportamiento observado en la variedad CULL-156 en todos los tratamientos evaluados (Figura 2). Este resultado confirma lo estresante que resultó el potencial osmótico de -0,5355 MPa para ambos cultivares.
Por otra parte, el análisis de la longitud de la raíz evidenció diferencias significativas entre cultivares (F1,42= 155,6; p= 10,0 x 10-16) y tratamientos (F6,42= 37,7; p= 2,2 x 10-15); la interacción entre ambos factores también fue significativa (F6,42= 7,3; p= 2,3 x 10-5). En la variedad CC-25-9R, las diferencias con respecto al control (78,8 ± 9,0 mm) comenzaron a observarse al potencial osmótico de -0,1247 MPa (9 %) y se produjo una reducción gradual en la longitud de la raíz a medida que los potenciales se hicieron más negativos, con valores entre 36,3 ± 5,2 mm y 8,5 ± 3,9 mm (Figura 3). Las diferencias en la longitud de la raíz entre el potencial de -0,2012 MPa (12 %) y -0,5355 MPa (21 %) no fueron significativas, lo cual resalta el efecto marcado de la sequía simulada in vitro sobre el crecimiento de esta estructura.
Sin embargo, el cultivar CULL-156 comenzó a mostrar efectos adversos a partir de -0,4066 MPa (18 %), sin que se observaran diferencias significativas entre este y el potencial osmótico de -0,5355 MPa (21 %), con valores de 54,0 ± 5,3 mm y 31,8 ± 2,5 mm respectivamente. En el rango de potenciales entre -0,0657 MPa (6%) y -0,2952 MPa (15 %), se alcanzaron valores entre 67,5 ± 5,2 mm y 77,0 ± 2,0 mm, todos similares al control con 104,8 ± 12,0 mm (Figura 3).
A partir de estos resultados se calculó el porcentaje de inhibición de la raíz (Figura 4), el cual mostró diferencias significativas entre variedades (F1,36= 56,0; p= 7,8 x 10-9) y tratamientos (F5,36= 37,8; p= 2,3 x 10-13). La interacción entre ellos también fue significativa (F5,36= 12,5; p= 4,7 x 10-7). En el cultivar CC-25-9R la inhibición se incrementó gradualmente a medida que los potenciales osmóticos se hicieron más negativos, con valores entre 53,6 ± 6,0 % y 90,3 ± 3,3 %, a partir de -0,1247 MPa (Figura 4). En CULL-156 la inhibición se produjo al potencial de -0,5355 MPa (21 %), con un valor de 69,2 ± 1,6 %; sin que se observaran diferencias significativas con la reducción encontrada a -0,4066 MPa, que fue de 47,9 ± 2,0 % (Figura 4).
Los resultados de la longitud del hipocótilo también evidenciaron diferencias significativas entre cultivares (F1,42= 57,2; p= 2,3 x 10-9) y tratamientos (F6,42= 85,5; p= 0,0); la interacción entre ambos fue igualmente significativa (F6,42= 4,7; p= 0,001). En los dos cultivares estudiados las diferencias significativas con respecto al control comenzaron a notarse al potencial osmótico de -0,1247 MPa (9 %) (Figura 5).
En el caso de CC-25-9R, la diferencias entre el valor observado a ese potencial (9 %) y a -0,2012 MPa (12 %) no fueron significativas, con valores de 26,5 ± 3, 9 mm y 13,0 ± 1,2 mm, respectivamente. Asimismo, el efecto del déficit hídrico sobre la longitud del hipocótilo en el rango de -0,2012 MPa y -0,5355 MPa fue similar, con valores de 9,3 ± 1,1 mm; 8,0 ± 1,2 mm y 1,3 ± 1,2 mm respectivamente (Figura 5). Sin embargo, en CULL-156 la longitud de la raíz fue similar entre los potenciales de -0,1247 MPa (9 %) y -0,2952 MPa (15 %), con valores de 48,3 ± 7,7 mm; 40,0 ± 1,0 mm y 24,3 ± 1,3 mm Los efectos más negativos sobre esta estructura se encontraron a -0,4066 MPa (18 %) y -0,5355 MPa (21 %), con resultados de 10,5 ± 0,5 mm y 8,3 ± 1,3 mm. A estos potenciales no se encontraron diferencias entre genotipos.
El análisis del porcentaje de inhibición del crecimiento del hipocótilo revela que el efecto de la sequía simulada in vitro fue significativamente diferente entre cultivares (F1,30= 13,6; p= 0,0009), con una media superior de 86,4 ± 2,3 % para la variedad CC-25-9R, en comparación con la alcanzada por CULL-156, de 79,8 ± 4,3 % (Figura 6). Las diferencias entre tratamientos también fueron significativas (F4,30= 32,2; p= 1,9 x 10-10). En este caso el efecto negativo se incrementó gradualmente a medida que los potenciales osmóticos se hicieron más negativos, con valores entre 66,6 ± 2,4 % y 96,1 ± 1,3 %. La interacción entre ambos factores no fue significativa (F4,30= 2,2; p= 0,09).
Resultados similares fueron encontrados por Torres-Hernández et al. (2022)Torres-Hernández,
Ll.; Sosa-del Castillo, M.; Pérez-Hernández, Y.; Rodríguez-Izquierdo,
L.; Cortés-Martínez, Y.; Liriano-González, R. (2022). Efecto del
polietilenglicol-6000 en la germinación y crecimiento de Phaseolus vulgaris L. cv. ‘Delicias’ Cultivos Tropicales 4 (3): e06. ISSN impreso: 02.
8-5936 Ministerio de Educación Superior. Cuba. ISSN digital: 1819-4087
al evaluar estos índices en la variedad de frijol Delicia, donde
encontró que el polietilenglicol disminuyó significativamente el
crecimiento de las raíces a todas las concentraciones estudiadas. Los
tratamientos correspondientes a 6, 9 y 12 % de PEG disminuyeron la
longitud de las raíces en un 69,8; 77,6 y 90,4 % respectivamente, en
comparación con el tratamiento control. La concentración 15 % del agente
osmótico inhibió completamente el desarrollo radical. En el caso de los
resultados presentados en este estudio no hubo inhibición completa de
la longitud de los indicadores de crecimiento en los tratamientos de
estrés para ambos cultivares.
La disminución de la longitud de
las raíces y la parte aérea de las plántulas, puede estar relacionada
con el estrés osmótico de los tejidos en presencia del agente estresante
(Romero-Félix et al., 2021Romero-Félix,
C.S.; López-Castañeda, C.; Rueda, C.G.; Kohashi-Shibata, J.; Martínez
Miranda-Colín, S.; Aguilar-Rincón, V.H. (2021). Variabilidad en
características morfo-fisiológicas del frijol común bajo sequía
terminal. Agrociencia, 55: 471-485. https://doi.org/10.47163/agrociencia.v55i6.2554.
).
En condiciones de bajo potencial hídrico ocurre la salida de agua de
las células vegetales, para compensar la diferencia de potencial
osmótico entre los tejidos del vegetal y el medio. Esto provoca a su
vez, una disminución de la presión de turgencia que se requiere para la
expansión y el crecimiento celular (Mendoza et al., 2020Mendoza,
R.M.F.; Veitía, O.; Martirena, R.A.; Rojas, R.L.; Torres, D.;
Hernández, S.; Rivero, L. (2020). Respuesta diferencial de tres
cultivares de Phaseolus vulgaris L. al estrés hídrico in vitro inducido por PEG-6000. Biotecnología Vegetal, 20(4): 351-359, ISSN 2074-8647, RNPS: 2154. ISSN 1609-184
).
Otro factor que pudo afectar el crecimiento de las plántulas está
relacionado con el estrés oxidativo que se genera en condiciones de
estrés osmótico. Guerrero et al. (2023)Guerrero,
D.L.; González, P.B.L.; Jeréz, M.E.I.; Morales, G.D.; Dell´Amico, R.J.;
Santa Cruz, S.A. (2023). Comportamiento de plantas de frijol común (Phaseolus vulgaris L.) sometidas a dos regímenes de riego. Rev Cie Téc Agr 32 (4). On-line ISSN 2071-0054
,
en estudios realizados con variedades de frijol común cultivadas en
suelo, bajo regímenes de riego diferentes, encontraron que el déficit
hídrico provoca una disminución del alargamiento de los órganos del
dosel de la planta. Un suelo en proceso de sequía puede tener su origen
en una reducción de la capacidad de absorción de agua y la disminución
provoca efectos negativos sobre los procesos de transpiración y
fotosíntesis, relaciones hídricas, desarrollo del área foliar,
floración, diferenciación y el establecimiento de los órganos
reproductores. La respuesta de las plantas al estrés hídrico presenta
mecanismos complejos que incluyen cambios moleculares y se extienden a
todo el metabolismo, lo que influye además en la morfología y fenología
de éstas, al acortar el ciclo del cultivo (Culqui et al., 2021Culqui,
Y.L.; Neri, J.; Valqui, N.C.V.; Mori, J.B.; Huaman, E.H.; Oliva, M.
(2002). Efecto del estrés hídrico sobre el comportamiento
morfo-fisiológico de cinco genotipos de frijol común (Phaseolus vulgaris L.). Revista Científica Pakamuros, 9(2): 73-86, ISSN: 2522-3240. https://doi.org/10.37787/pakamuros-unj.v9i2.183.
).
Conclusiones
⌅- Los tratamientos de déficit hídrico proporcionados por el PEG afectaron el porcentaje de germinación, así como la longitud de la radícula y el hipocótilo de forma moderada, ya que hubo germinación y crecimiento al potencial osmótico de -0,5355 MPa (21% PEG). Los cultivares CC-25-9R y CULL-156 parecen presentar tolerancia a la sequía en un estado de desarrollo temprano, destacándose el cultivar CULL-156.