Tratamientos pregerminativos de hidratación
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Tratamientos pregerminativos de hidratación
Agronomia Costarricense 25(1): 67-92, 2001 Analisis y Comentario TRATAMIENTOS PREGERMINATIVOS DE HmRATACION-DESHlDRATACION DE LAS SEMILLAS Y SUS EFECTOS EN PLANTAS DE INTERES AGRICOLA 1 JorgeA. SanchezV.,RamonOrta., Barbara C. Munoz. Palabrasclave:Semillas,tratamientos pregerminativos dehidrataci6n-deshidrataci6n, choquetermico,hortalizas, especies forestales pioneras. RESUMEN ABSTRACT Los tratamientospregenninativosde hidfataci6n-deshidrataci6n de las semilIas han probado ser eficientespara revigorizar semillasenvejecidas,acelerary unifonnar la germinaci6ne incrementarlos rendimientosde los cultivos bajo condiciones ecol6gicas 6ptimas y adversas; efectos que se conocen como revigorizaci6n, acondicionarnientoy robustecimientode semilIas, respectivamente.En el presentetrabajo se discuten aspectosrelacionadoscon modelos y solucionesde imbibici6n aplicadosen los referidos tratamientospregenninativos,cambiosfisio16gicosy bioquimicosque producenen las semilIas y utilidad practicade los mismos,en especies de interes agricola.Ademas,se brinda infonnaci6n sobrelos efectosqueproducela combinaci6n de los tratamientosrobustecedores de hidrataci6n parcial con los de choquerennico,en semillasde hortalizasy forestalesbajo estresambiental. Pregerminative hydration-dehydration treatments of seedsand their effects in plants of agricultural interest. Pregenninativehydralion-dehydrationtreatmentsof seedshaveproven to be efficient for reinvigoration of aged seeds, enhancegennination perfonnance and increase yields of cropsunderoptimun andadverseecological conditions;sucheffectsknown as seedreinvigoration,priming and hardening.In this paper, aspectsrelatedto the methodsand imbibition solutions applied to the referred pregerminative treatments,physiologic and biochemicalchanges that takeplacein the seeds,andpracticalutility of the treatmentsin speciesof agricultural interest are discussed.Also, infonnation is offered on the effectsproducedby the combinationof hardening, partial hydration,andheatshocktreatmentsin vegetablesandforesttreeseedsunderenvironmental stress. 1/ 2/ . Recibido para publicaci6nel 31 dejulio del 200I. Autor para correspondencia:Correoelectr6nico: [email protected] 0 [email protected] Instituto de Ecologia y Sis.tematic~.Ministerio de Ciencia Tecnologiay Medlo Amblent~, (CITMA). Carretera de Varona KIn 31/2 Capdevlla, Boyeros Apartadoposta18029,C6digopostal 10800,Habana, Cuba. 68 AGRONOMIA COSTARRICENSE INTRODUCCION La calidad de las semillas de muchasespeciescultivadasdependesignificativamentedel gradode maduraci6nque tenganestasen el momenta de la colectade los frutos, del procesode obtenci6n y de ~u manejo posterior (Synder 197~Edwards etl.al. 1986,Welbaumy Bradford 199'l, Jett y Welbaum 1996,Oluoch y Welbaum 1996).Par consiguiente,el mejoramientode las semillas debe estar encaminado fundamentalmente al perfeccionamientode metodosde obtenci6n y de almacenamientode semillas,y a la aplicacionde tecnicasfisiologicasa posteriori de la recoleccionde los frutos 0 poscosecha, que recuperenel vigor inicial de los lotes. Un camino fisiologico conocido para mejorar el comportamiento germinativo de muchasespeciesde interes agricolason los tratamientospregerminativos de hidratacion-deshidratacionde las semillas, que ha probadoser eficiente para revigorizar semillas envejecidas,acelerare incrementarla germinacion y los rendimientosde las plantas,tanto bajo condicionesecologicas6ptimas como adversas (Henckel 1964, 1982; Heydecker et al. 1973, 1975; Khan et al. 1978,Burgassy Powell 1984, Bradford 1986). Estos procedimientosconsistenen la inmersi6n de las semillasen solucionesosmoticas o en aguadurantecierto tiempo con 0 sin deshidratacion previa a la siembra (Heydecker et al. 1973,Khan et al. 1978,Henckel 1982) y permiten que una granproporcionde las mismasalcance rapidamenteel nivel de humedady estadometabolico deseado;como consecuenciade la activacion de numerosos procesosbioquimicos-fisiologicos relacionadoscon la germinacion,la toleranciaal estresambientaly a la autoreparaci6n enzimatica de las membranas celulares (Heydecker y Coolbear 1977, Henckel 1982, Bewley y Black 1982,Bray 1995). La utilizaci6n de los tratamientospregerminativos de hidratacion-deshidratacionen la practicaagricolaseve limitada fundamentalmente par las siguientescausas:1)la falta de estandarizacion u optimizacion de los tratamientosen carlaespecie,variedad0 late en particular (Bradford, 1986;Bradford et al. 1990);2)por 10costo- so que resultala aplicaci6nde los referidosmetodosa grandesvolumenesde semillas(Henckel 1982);y 3)por la inadecuadaextensi6ny divulgaci6nen el media rural y agron6micode los resultadosobtenidosen especiesde interesagricolas,como las hortalizasy las gramineas(Sanchez 1997,Orta et al. 1998). En el presentetrabajosediscutenaspectos te6ricos y practicosrelacionadoscon la aplicaci6n de los tratamientospregerminativosde hidrataci6n-deshidratacionen semilias de interes agricola,con el objetivo de facilitar su extensi6n ala practicaproductiva.Tambienseofreceinformaci6nsabrela aplicaci6ncombinadade los tratamientosrobustecedoresde hidratacion parcial con los de choquetermico ensemillas de hortalizasy de arbolespionerostropicales. ANTECEDENTES HISTORICOS DEL USO DE LOS TRATAMIENTOS PREGERMINATIVOS DE HIDRATACIONDESHIDRATACION DE LAS SEMILLAS El fisiologo griego Theophrastus(372287 a.n.e.),no es s610uno de los fundadoresde la botanica,el puedeconsiderarsecomo el padre de la fisiologia de las semillas (Evenari 1984). Entre susnumerosascontribucionesaparecenreferenciasacercadel papelde la imbibicion de las semillasen aguasabrela velocidadde germinacion del pepino (CucumissativusL.). Kidd y West (1918, 1919), revisaron las experienciasconcernientesala preimbibicionde las semillasen el pasadosiglo y concluyeronque "Las semillas remojadasen un minimo de agua y despuessecadasLentamentea temperaturas ambiente.imbiben y germinan mas rapido que Lasno tratadas". Enunciaronademas,las condiciones minimas en las que se realizarondichos tratamientos,tales como: cantidad adecuadade agua,duraci6ny temperatura6ptima del proceso de imbibici6n. Chippindale(1934), investigo los efectos de los tratamientosde humedecimiento-desecacion sabrelas semilias de gramineasy menciono que estos eran frecuentementellevados a cabo par los campesinos,pero que en la agricultura SANCHEZ et aI.: Tratamientospregerrninatoriosde hidrataci6n-deshidrataci6n de las semillas modernano se utilizaban. El concluyo ademas, que los efectosencontradosno podrfangeneralizarseaun para especiesy/o variedadesmuy cercanastaxonomicamente. Levitty Hamm (1943), aplicaronpor primera vez solucionessalinasen los tratamientos pregerminativosde hidrataci6n parcial y lograron acelerarel procesode postmaduraci6nde las semillas de Taraxacumkok-saghyz.Asumieron, que la imbibici6n en solucionesosmoticasactiva reaccionesfisiologicaspregerminativasen las semillas, permitiendoque estasmaduren,pero que no germinenpor limitacioneshfdricas;10cual resulta ventajoso para acelerarla germinaci6nal serrehidratadas. A pesarde todo el intensotrabajorealizado en esta tematica, solo algunasdecadasdespues,los tratamientospregerminativosde hidrataci6n-deshidratacion volvierona sercentrode interes paralos cientfficosoccidentales,a partir de la revisi6n de May et al. (1962) acercade los resultadosobtenidospor P.A. Henckely otros fisiologos rusosrelacionadoscon la imbibicion parcial de las semillasen aguay su comportamientofrente al estresambiental.Estostratamientosde hidrataci6nparcialseconocenen la literaturacientffica internacionalcon el termino de robustecimiento de semillas0 "seedhardening". La eramoderna de la preimbibici6nde las semillasla inauguraHeydeckery su grupode investigacion.Ellos desarrollaronuna tecnicasimpIe en conceptopero fisiologicamentecompleja, la cual es capazde acelerarapreciablementela germinaci6ndespuesde la siembra(Heydecker et al. 1973).La misma consisteen la preimbibici6n de las semillas en solucionesde un agente osm6ticobioqufmicamenteinerte N (preferentementepolietilenglicol), durantecierto tiempoantes de transferir las mismas al agua, con 0 sin previa deshidrataci6n.Estos tratamientosse conocen como acondicionadoresde semilIas 0 "seedpriming" (Heydeckeret al. 1973),revigorizadores de semillas 0 "seed reinvigoration" (Heydeckeret al. 1975) y osmoacondicionadoresde semillas0 "seedosmoconditioning"(Khan et al. 1978, Khan 1992). Aun cuandoparezcaque los tratamientos s610difieren desdeel puntode vista terminologi- 69 co, los objetivos de estosfueron otros desdesus inicios. Los acondicionadoresy osmoacondicionadorespretenden,basicamente,acelerary uniformar la germinacione incrementarla produccion de las plantas(Heydeckery Coolbear 1977, Khanet al. 1978).Los tratamientosrevigorizadores procuran incrementarla germinacion de las semillasenvejecidas(Heydeckeret al. 1975).For ultimo, los tratamientosrobustecedorespretendenincrementarla toleranciade las plantasresultantesde las semillastratadasa condicionesadversasdel medio como la sequfa,las altastemperaturas,la salinidad y otros factores desfavorables del ambiente(Henckel 1964, 1982). For su parte, Khan et al. (1979), Khan (1992), Taylor et al. (1998), Welbaum et al. (1998a) y McDonald (2000) resumierontodo el conocimientoexistenteacercade la efectividadde los tratamientosde hidrataci6n-deshidratacion 0 preacondicionamiento de las semillas,incluyendo aquellosque,ademasdel agua(acondicionarniento fisiologico), empleanla infiltraci6n de compuestosqufmicos bioactivos,la peletizaci6n0 la aplicacion combinadasde ellos. Concluyendo, que estostratamientospreacondicionadores pueden utilizarsepara los siguientesfines practicos: a)incrementarla germinaci6n en temperaturas sub6ptimasy supraoptimas, b)acelerary sincronizar la germinaci6n,c)estimularel sistemaradicular, d)incrementarla resistencia0 toleranciade las plantasen condicionesde estres bi6tico y/o abi6tico, y e)aumentarla producci6n(rendimientos). METODOS Y SOLUCIONES APLICADAS EN LOS TRATAMIENTOS PREGERMINATIVOS DE HmRATACIONDESHmRATACION DE LAS SEMILLAS Metodos de imbibicion Hegarty(1978),planteaque los efectosde los tratamientospregerminativosde hidrataci6n parcial de las semillas dependenfundamentalmente de: l)grado de hidratacion que alcancen las semilIas;2)temperaturay duraci6n del tratamiento; 3)nivel de aeraci6ndel medio;4)cantidad de semilIas;y 5)procesode deshidrataci6n.For tanto,cadametodoque sedesarrolledeberatener 70 AGRONOMIA COSTARRICENSE en cuentaestosaspectos,que seranmodificados de acuerdoa los objetivosde los investigadores. Los metodos de hidratacion parcial 0 preacondicionadores de sernillasseagrupanen 2 categorfasdependiendosi el suministrode aguaa las mismas es controlado 0 no (Taylor et al. 1998).Las tecnicasque limitan la toma de agua por las semillas son aquellasque empleansolucionesosmoticas,partfculassolidas0 controlan la hidratacionpor la adicion de cantidadeslimitadas de agua a volumenesexactosde semillas. Los metodosde imbibicion parcial creadospor Heydeckeret al. (1973) y Khan (1977) se basan fundamentalmente en la utilizacion de soluciones osmoticas,que perrnitenla hidratacionde las semillas, en funcion del equilibrio de potenciales hfdricosque seestablecenen el sistemasolucionsemilla. La tecnica mantieneun nivel de humedad que desencadenauna serie de eventosbioqufmicos-fisiologicosasociadoscon el proceso de pregerminacion,pero no permite la emergencia de la radfculapor limitacioneshfdricas.Estos tratamientososmoticosban sido aplicadosextensivamenteen pequeiiassemillas de flores y en una gran cantidad de cultivos como hortalizas, leguminosasy cereales(Heydeckeret al. 1975, Heydecker1977, Khan 1977,Khan et al. 1978). Posteriormente,Dearmanet al. (1986) y Buljaski et al. (1989, 1992)desarrollarontecnologfaspara el uso comercialde los procedimientos osmoticos, lograndotratar basta10 kg de semillas. Con la lirnitante principal que representa el empleoen estatecnicade osmoticos perfectos (polietilenglicol) sustanciasaltamente costosas en el mercadointemacional(Lawlor 1970). Los procedimientosque utilizan partfculas solidasson usadospara incrementarel contenido de humedadde las semillas en un sistema controlado.Las semillas,las partfculassolidasy el agua son los 3 componentesbasicosde esta tecnica{Tayloret al. 1998).Estostratamientosse conocencomo acondicionamientomatrico de las semillas0 "matric priming seeds"y empleanver~i~ulita 0 Micro-Cel,E (un silicato ~~ calcio sintetlco, de alta capacldadde retenclon de agua) ~om,o,~edio de s~porte (partfcula solida) y de Imblblclon de semillas(Khan,1992).Por su parte, Khan et al. (1995) y Grzesiky Nowak (1998) demostraronque la duracion del acondicionamiento matrico y la proporcionen quedebenemplearselos componentesde estesistema(semilla: partfculasolida: agua)varian entreespeciesy 10tes de semillas;por 10que las condicionesoptimasparaaplicarestemetododebendeterminarse empfricamente. La tecnicade hidratacionparcialde las semillas por adiccioncontroladade aguasebasaen la relacion que se estableceentre volumenes exactosde aguay semillas (Rosew 1987).Esta tecnologfapermite un suministro controladode aguaalas semillas(en un tiempo unico 0 de forma escalonada)suficientepara lograr el acondicionamientode las mismas,pero no la germinacion. La masa0 cantidadde aguanecesariapara alcanzarun determinadocontenidode humedad en las semillas se calcula mediantela siguiente formula: MH2O= MS(CHf-CHJ (100-CHJ-1 DondeMH20, es la masade aguaadicional a la masasecainicial de las semillas (MS); CHi es el contenido inicial de humedadde la muestrade semillas;y CHf es el contenidofinal de humedadque se deseaque alcancenlas semilIas. El tiempo que las semillasestanexpuestasa estatecnicadependede las caracterfsticasde absorcionde carlalote 0 especiesen particulary del nivel de humedadque se deseeconseguir(Rowse 1996). Por ultimo, este procedimientose ha desarrolladoa gran escalapara acondicionarsemill as y se conocecomo acondicionamientono osmotico 0 "drum priming" (Rowse 1996,Warren y Bennett 1997),con el mismo se obtienen resultadossimilaresa los logradoscon los metodos que empleansolucionesosmoticas(Gray et al. 1990).Este metodotambiense conocecomo acondicionamiento hfdrico de las semillas 0 "seed hydropriming" y ha sido empleadocon exito en un gran numerode cultivos (McDonald 2000), Los tratamientosrobustecedoresempleados por el fisiologo ruso P.A. Henckel y suscolaboradores,tambien puedenconsiderarsecomo un metodono osmoticoque controla el nivel de humedad que se Ie suministra alas semillas SANCHEZ et al.: Tratamientospregerminatoriosde hidratacion-deshidratacion de las semilias 71 (Henckel 1982);sin embargo,esteprocedimiento es muy dificil de aplicar a grandesvolumenes de semillas,debido a que no todos los propagulos alcanzanel mismo nivel de humedaddurante la rasede hidratacionparcial de las mismas(Orta et al. 1998). Los metodosque no controlanel aguaque taman las semillas son aquellos en los que el aguaestalibrementedisponiblealas semillas,no se controla par el ambienteque rodeaalas mismas (Taylor et al. 1998). Par tanto, la lama del aguaes gobernadapar 1aafinidad que seestablece entre los tejidos seminalesy el agua.La tecnica de hidratacionparcial propuestapor Orta et al. (1998) se fundamentaen el rol del aguaen los procesosbioquimicos-fisiologicossucesivosque ocurrenen las semillas durantelas rasespregerminativas (Obruchevay Antipova 1985, 1989). El metoda regula 1a imbibicion parcial en funcion del tiempo que se mantiene en contacto cualquiervolumende semilla con suficientecantidad de agua y no en funcion del equilibria de potencialeshidricos, ni la limitacion en la cantidad de aguaafiadida,propuestopar los modelos desarrolladosbastael momenta.Con dichatecnica se alcanzaronresultadossatisfactoriospara acondicionar,revigorizar y robustecersemillas ten a un tratamientounico de hidratacion-deshidratacion(Brocklehursty Dearman1983a,Bradford et al. 1990,Montejo et al. 2000).Esta variabilidad en la germinacion,conllevaa quelas condicionesambientalesoptimaspara aplicar los referidos tratamientosdebendeterminarseempiricamenteparacarlalate (Bradford 1986).Sin embargo,recientementese ha desarrolladoun modelo matematicoque predice como se afecta la velocidadde germinacionde semillasde diferentes lotes pretratadasen respuestaa los 3 factores fundamentalesdel media abiotico que intervienen en cualquier metoda de hidratacionparcial que se aplique: la temperatura,el potencial de agua y la duracion del tratamiento (Tarquis y Bradford 1992, Bradford y Haigh 1994, Bradford 1995). El modelo se canace con el nombre de tiempo de acondicionamientohidrotermico de las semillas0 "hidrotermal priming time model"; es similar al modelo del tiempo hidrotermico propuestopar Gummerson(1986) y se calcula par la siguienteecuacion: de hortalizasy de especiesforestalespioneras DondeTmID. Y '¥ mID , son la temperaturaY elpotencialdeaguaminimoenelcualelacondicionamientode las semillaspodria ocurrir; T y '¥ la temperaturay el potencial de aguaque exceden las minimasde estosfactores,y tp, es la duracion del tratamientoen las diferentescondicionesde T y '¥ ensayadas. El modeloha sido efectivo paraestablecer las condicionesoptimas(en cuanto a T, '¥ y tp) en que debenrealizarselos tratamientosde imbibicionparcialen lotesde variashortalizas(Tarquis y Bradford 1992, Dahal y Bradford 1994,Welbaumet al. 1998a).Sin embargo,cuandoChengy Bradford(1999)aplicaronesteconceptoen 610tes de semillasde tamale (Lycopersiconesculentum Mill) previamenteacondicionadas en 2 temperaturasdel sustrato(15°Cy 20°C),3 potencialeshidricas (-1.0, -1.5 y -2.0 MPa) y 6 tiemposde duracion del tratamiento(de 26 h a 31 dias) no lograran predecirlas condicionesmas adecuadas para tratar las semillas.Estosresultadossugieren,que (Sanchezet al. 1997, 1998, 1999ab; Sanchez 2000, Orta et al. 2000). La aplicacion efectiva de los modelosde imbibicion parcial en agua propuestospar Henckel (1982) y Orta et al. (1998), consisteen 10grar que todas las semillas tratadasalcancenel mismo nivel de humedad deseadopara que el efectodel tratamientoseahomogeneo.Esteriesgo no se carre utilizando solucionesosmoticas,par cuantola barreraa la absorcionde aguaseestablece sabrela basedel equilibria de potencialeshidricasquesecreaen el sistemasolucion-semillay no en el tiempo de inmersion(Orta et al. 1998)ni la limitacion en agua (Henckel 1982).Parasuperar estadificultad tecnica,los autoresantesmencionados,proponensometerlas muestrasde semillas a 2 0 masciclos de hidratacionparcial-desecacion. Par otra parte,esbien conocidala variabilidad germinativa que se obtiene entre lotes de semillasde una misma especiecuandose some- Tiempo de acondicionamientohidrotermico [(MPa)(OC)(h)]=('¥-'¥ mID . )(T-TmID . ) tp' 72 AGRONOMIA COSTARRICENSE los eventosmetabolicosque ti~nen lugar durante la germinacion y aplicacion de los tratamientos pregerminativosson complejos y respondenal variar las condicionesen que se Ilevan a cabolos mismos (McDonald 2000). Lo anteriormenteseiialado tambien demuestra,que antesde generalizarse el concepto del tiempb de acondicionamiento hidrotermico se debe continuar investigandosusefectosen otrasespecies0 JOlesde semillas. Solucionesempleadasen los tratamientos Como hemos seiialadoanteriormente,las principalessustanciasaplicadasen los tratamientos pregerminativos de hidratacion-deshidratacion fueron las solucionesosmoticasy el agua. Las solucionesosmoticaspuedendividirse en 2 grandes grupos: 1)Las soluciones compuestas par un polfmero de alto peso molecular (de 100 hasta 20000) conocido como polietilenglicol (PEG) 0 Carbowax (nombre comercial) (Heydeckery Coolbear 1977,Khan et al. 1980-1981, Gray et al. 1991); 2)las solucionessalinas; ampliamenteutilizadas para osmoacondicionar,una mezcla de K3PO4y KNO3 (Suzuki et al. 1989, Rehmanet al. 1998a),y otras salescomo: NaCL (Cocchetey Guerra 1986, Thanos y Georghiou 1988)MgSO4(Levitt y Hamm 1943,Heydecker y Coobear 1977, Khan et al. 1983), NH4NO4, Ca(NO3)2(Levitt y Hamm 1943)y KH2PO4(Levitt y Hamm 1943, Brocklehurst y Dearman 1984);y 3)Iassolucionescompuestasde azucares (sacarosa0 manitol) (Thanosy Georghiou 1988, Thanoset al. 1989,Sanchezet al. 1997). Los tipos de PEG con pesosmoleculares entre 2000-8000 han sido recomendadoscomo sustanciasosm6ticas ideales, para osmoacondicionar semilias, debido a que no penetran las membranascelulares,no presentancaractertoxico, mantienencasi constantela osmolaridadde la solucion y cuando estan presentesen pequeiias cantidadespermiten una aeraci6naceptabledel media (Parmary Moore 1968,Suzukiet al. 1989, McDonald 2000). Sin embargo,se reconoceque cuandoel PEG se utiliza paracrearestreshfdrico en las plantas,estepuedeser absorbidoy secretado par las mismas (Lawlor 1970, Tingey y Stockwell 1977,Yaniv y Wecker 1983). Las solucionesde PEG ademas,se han utilizado en combinacion con reguladoresdel crecimiento (como las citoquininas) para evitar termoinhibicion de las semillas en temperaturas suboptimasy supraoptimasde germinaciony de esta manera eliminan termodormancia en las mismas Khan (1977), Prusinski y Khan (1993). Khan et al. (1979) demostraron tambien los efectos positivos del osmocondicionamientoy de las fitohormonas sabrela germinacionde semillas de lechuga(Lactuca sativa L.) bajo condiciones de estresabiotico (calor, sequfay salinidad). Concluyeron que tales efectos se deben a la activacion de numerososprocesospregerminativos alcanzadoscon los tratamientos osmaticos en combinacion con los reguladores del crecimiento que actuan eliminando cualquier tipo de dormanciafisiologicas que adquiefen las semillas durante la germinacionen condiciones desfavorables. Finalmente,la inclusion de antibioticosy fungicidas,como el Tiran (0.2%), en soluciones de PEG durante el tratamiento osmotico de las semillasde diferentescultivos (Khan 1977,Khan et al. 1978, 1983) han reducido considerablemente la proliferaci6n bacterianay fungica durante la emergencia y establecimientode las plantasen condicionesde campo. Las solucionessalinasmantienenuna aereaci6naceptabledel media,al osmoacondiconar semilla~a gran escala(Suzuki et al. 1989). La promoci6nde la germinaci6npar estasse atribuye a suspropiedadesosm6ticasy no a suspropiedades qufmicas (Thanos y Georghiou 1988), aunqueestasultimas puedenafectarlas estructuras celularesde las semilias y par consiguiente, la viabilidad de las mismas (Khan et al. 1983, Brocklehurst y Dearman 1984, Bradford 1995). Tambien Suzuki et al. (1989) plantearonque las salescon iones trivalentesde fosfatos (como el K3PO4 y el Na3PO4)son maseficient~sparaestimular la germinaci6nque otras salesno trivalentes y ampliamenteutilizadas en dichos tratamientos.SegunKanazaway Uemoto (1977),esto sedebea que las salestrivalentesincrementan el pH del media de imbibici6n y con estoaumentan la actividadmetab61icade las semilIas durante el acondicionamiento. SANCHEZ et aI.: Tratamientospregerrninatoriosde hidratacion-deshidratacion de las semillas Con las solucionescompuestasde azucares seobtienenresultadossatisfactoriosparaacelerar e incrementar la germinaci6n (Thanos y Georghiou 1988,Thanosy Mitrakos 1992,Sanchezet al. 1997),pero son sustanciasque secontaminanrapidamentey esto puedeafectarconsiderablementeel poder germinativo 0 viabilidad de las semillas. Los tratamientos que utilizan sustancias osm6ticas (PEG, sales y azucares)se conocen tambien como acondicionamientoosm6tico de las semillas u "osmotic priming seeds" (Khan 1992). Recientemente, se ha comparado su efectividad para mejorar el funcionamiento de las semillas con el acondicionamientomatrico de las semillas 0 "matric priming seeds".En varias especiesde hortalizas con el tratamiento matrico se obtienen los mejoresresultadospara incrementar la germinaci6n con relaci6n al acondicionamiento osm6tico, aunque las diferencias fisiol6gicas que producen ambos tratamientos,en las semillas, estanpobrementedilucidadas(Khan 1992). Sin embargo, estudios recientes (Jett et al. 1996) demostraron que la efectividad del acondicionamiento matrico sobre el osm6tico se debe fundamentalmenteal mayor aporte de oxigeno y de calcio que hace el soporte del acondicionamiento matrico alas semilIas durante el intercambio que se estableceen el sistema semilla-sustrato. El oxigeno y el calcio son esencialesen la divisi6n celular y en la activaci6n de diferentes funciones de membranas y proteinas (Roberts y Harmon 1992). Lo cual explica, par que las semillas tratadasmediante el acondicionamientomatrico funcionan mejor que las acondicionadas con log tratamientos osm6ticos. Todo 10antesmencionado,demuestraque el aguaresultaun medio de imbibici6n adecuado paraextendera la practicaagricolalos tratamientos pregerminativosde humedecimiento-desecaci6n, pOTsu relativamentefacil obtenci6ny los resultadosaltamentesatisfactoriosque se obtienen para acondicionar y robustecer semilIas (Henckel 1982, Rowse 1987, Orta et al. 1998, 2000, Sanchezet al. 1999ab). 73 PROCESOS FISIOLOGICOS Y BIOQUIMICOS QUE OCURREN EN LAS SEMILLAS CON RELACION AL NIVEL DE HmRATACIONDESHmRATACION Fasede hidratacion de lag semillas La generalidadde las semillasen contacto con el aguamuestranun patr6ntrifasico de absorci6n (Figura 1), que se correlacionacon las variacionesen los componentesdel potencialhidrico de las celulasdurantelos procesosfisiol6gicos y bioquimicospreparativosde:la emergencia del embri6n (Bewley y Black 1978, 1994; Obrouchevay Antipova 1985,1989, 1997;Bradford 1986, 1990, 1995; Welbaumet al. 1998b). Sin embargo,la secuenciade los procesosfisio16gicosno ha quedadoclaramentecorrelacionado con el patr6ntrifasico de la toma del agua,par 10que algunosautoresproponensecuenciasdiferentes.Evenari (1961) describe4 rases:imbibici6n, activaci6n,mitosisy protusi6nde la radicula. Berlyn (1972) define las 4 rasescomo: imbibici6n, hidrataci6ny activaci6n,divisi6n y elongaci6n celular y por ultimo la protusi6ndel embri6n. Ching (1972, 1973) subdivideesteproceso en 3 rasessobrelapadas,que mantienenuna estrechacorrelaci6n con el patr6n de absorci6n de agua. Por ultimo, Bewley y Black (1978) y Come y Thevenot(1982) plantearonque las semillas con permeabilidadal aguaen sus cubiertasexhiben3 rasesen el procesode absorci6nde aguaconsistenteen: imbibici6n (I), activaci6n0 germinaci6nsensu stricto (II) y rase de crecimiento (III). La caracterizaci6nde carlaunade las 3 fases de imbibici6n y los cambios celularesque ocurren en carla una de estasban quedadobien clarosen Viciafaba var. minor y de acuerdocon Obrouchevay Antipova (1989), puedenresumirse como sigue: FaseI: imbibici6n rapida inicial debidoa factorespuramentefisicos, en particular al compdnentematrico del potencial hidrico. Durante esta rase se alcanzacontenidosde humedaddel eje embrionariode basta 60% (con relaci6n al peso fresco de la semilIa; como el resto de los 74 r AGRONOMIA COSTARRICENSE FaseI FaseII FaseIII "i "C 8 .E C . OmIenzode la germinacion Q) "C ~ Tiempo Fig I Patr6n trifasico de toma del agua en semillas frescascon capacidadgerminativa. Reportadopor Bewley y Black (1994). porcentajesque sereportanen adelante)y ocurre tanto en semillas muertascomo vivas. En estas ultimas el incrementopaulatinodel contenidode humedadpermite la activaci6n de la respiracion (40-45%),el inicio de la movilizacion de los carbohidratos de reserva en el embrion (45%), el inicio de la movilizaci6n de proteinasde reserva en el embrion (45%), y el inicio de la sintesisde proteinas(55%). Fase II: conocida como fase lenta (lag phase)0 plat6, comprendefundamentalmentela puestaen marcha de 2 mecanismosfisiol6gicos sucesivospara el incremento de humedad del embrion y el crecimiento del mismo. EI primer mecanismoestadado par la acumulacion en las celulasde sustanciasosm6ticamenteactivas,que permiten incrementar el contenido de humedad basta65-68%. EI segundomecanismose inicia cuandoel tontenido de humedadalcanzavalores de 68-70%,consisteen la activacionde la bomba de protonesque acidifica las paredescelulares e incrementala plasticidadestructuralde las mismas.La perdidade rigidez de las paredescelularespermiteel incrementodel contenidode humedad (72-73%), el inicio de la vacuolizaciony el crecimientocelular (crecimientoacido). Fase III: esta asociadacon la protusion de la radicula 0 la emergenciaembrionaria.Se caracterizacomo la faseI, aunquecon menorvelocidad, par el incrementoaceleradodel contenido de humedad,esta vez debido al contactodirecto del embri6n con el agualibre del sustrato, que absorberapidamenteagua sabre la basede las diferenciasde potencialeshidricos que se establece en el sistema semilla-sustrato.Durante estafase se inicia la movilizacion de las sustancias de reservade los cotiledones,que asegurael establecimientode la nuevaplantula. SANCHEZ et al.: Tratamientospregerminatoriosde hidratacion-deshidratacion de las semillas Bewley (1997a) estableciopor su parte, una nueva secuenciade eventosbioqufmicos-fisiologicosrelacionadoscon el patrontrifasico de adsorcion de agua de las semillas (Figura 2). Bewley y Black (1978, 1994) ademasplatearon que la duracionde cadaunade estasEases y la activacion de los procesosmetabolicosque ocurren en ellas dependede las propiedadesintrfnsecas de las semilIas (contenidosde sustratoshidratables, permeabilidadde las semillas,tomade oxfgeno, tamafiode las semillas,etc.) y de las condiciones que prevalezcandurante la hidratacion de las mismas(temperatura,contenidode humedad y composicion del sustrato, iluminacion y disponibilidad de oxfgeno). Fasede deshidratacion de 'as semillas Hegarty (1978) planteo, que si las semilIas se desecanexcesivamente,despuesde aplicadoel tratamientopregerminativo,0 se mantieDenen el estadiode imbibicion por periodosmuy prolongados,los mecanismosde deterioracion celular se impondran sobre los mecanismosde reparaciony activacionque se logran con el incrementosostenidoy gradualdel nivel de hidratacion de las semillas.Crevecoeoret al. (1976) tambien sefialaron,que la sensibilidadal efecto nocivo de la deshidratacionen las semi1lasde mafz (Zea may) se incrementa con el tiempo transcurridodesdeel inicio de la imbibicion, es decir, con el nivel de hidratacionalcanzadoy el desarrollode los procesosfisiologicos irreversibles.Ellos detectaronque cuandolas semillasde mafz sedesecandespuesde un perfodoprolongado de imbibicion (72 h), ocurrendafioscelulares, como la condensacionde la cromatiha,la degradacion del DNA y dafiosen la ultraestructurade las membranasnuclearesy mitocondrialesexternas,que impiden la germinacionde las semillas al ser rehidratadas. Este efecto no parece ser producto del procesode desecacionen si, sino del prolongado tiempode imbibicion parcial; el cual desencadena el desarrolloirreversiblede algunosprocesos celulares,que al mismo tiempo agotanlas reservas nutricionales disponibles, sin alcanzar la Germi~i~wwJ!tJ!!,JWi!'1."J! - FaseI PQ§~i~~~~aciQni Fasen ~ " .. -.; de reservas ~ Elogaci6n ~ " "0 .~ ~ elular y sintesis de DNA .2 -= "0 Reparaci6n de DNA e-~ "0 0 tS .s 0 - ,J 1."' 1." Fase -§ - 75 lnuevoRNAm u .& Sintesisd:,p _e~n~s }!':.~do el RNAm existente - .a .§ Reparaci6nmitocondrial Sintesis de mitocondrias Tiempo Fig. 2 Eventos rnetabolicos que ocurren en las semillas de acuerdo al patron trifasico de absorcion de agua. Datos tornados de Bewley (1997). 76 AGRONOMIA COSTARRICENSE gerrninaci6ndel embri6n,ya que las semillasno tratadasson capacesde soportarviolentasdeshidratacionessin perder la viabilidad (Webby Arnott 1982).Par su parte Bradford (1995), sefiala que muchassemillas son tolerantesa la desecacion si el periodode hidrataci6nsemantienehasta la rase II del patron trifasico de absorcionde agua(Figuras 1 y 2) Y tienen una limitada capacidad de sobrevivenciaa la desecaci6ncuandose inicia la rase de crecimiento (III). Segun Welbaumet al. (1998a)y Taylor et al. (1998) la rase de deshidrataci6nde las semillas pretratadases un pasocrftico para el mantenimientode su calidad y beneficiosobtenidosdurantela hidrataci6n de las mismas.Allen (1997), tambiensefialaque la velocidad deshidrataci6nafecta significativamente la velocidad de germinaci6nen semilIas de lechuga y de zanahoria(Daucus carota L.), pero es indiferenteen semillasde tomate. Es bien conocido que durante la aplicacion de los tratamientosde humedecimiento-desecacion,la hidratacion debe ocurrir basta un punta tal que permita la activaci6n de la mayor partedel aparatometab6lico,pero que impida la total emergenciadel embrion. El nivel adecuado de hidratacionparcial y el momentaen que debe procedersea la desecaci6ndebeser determinado empfricamentepara las semillasde cadaespecie, variedad 0 10te en particular (Brocklehurst y Dearman1983ab,Bradford et al. 1990). Henckel (1982) plante6,que el momenta optima para deshidratar es cuando ocurre la emergenciade la radfcula,esdecir unavez transcurridos todos los procesosfisiol6gicos relacionados con la gerrninaci6n de las semillas. En cambia,McKersie y Tomes(1980)Y Dasguptaet al. (1982), demostraronque el momenta6ptimo paradeshidratary robustecer son 2 h antesde la emergenciade la radfcula, debido a que en este punta el eje embrionario es mas resistentea la deshidrataci6n(Senatray McKersie 1983). Segun Goldsworthyet al. (1982) con perfodoscortos de imbibici6n se logra revigorizar semillas envejecidas.En cambia,Heydeckeret al. (1973), Khan et al. (1978)y Ozbing61et al. (1998)10graran acelerary uniforrnar la germinaci6nsometiendo las semillas a largos perfodosde imbibicion, aproximadamentebastala mitad 0 final de la rase II del procesode imbibici6n (Figura 1). Par consiguiente,la aplicaci6n0 utili dadde estos tratamientosdependerade los cambiosbioqufmicos-fisiol6gicosque provocanen las semillasel nivel de hidratacionque se alcance. UTILIDAD DE LOS TRATAMIENTOS DE HIDRATACION-DESHIDRATACION EN LA PRACTICA AGRiCOLA Los tratamientosde hidrataci6nparcial de las semillasban demostradoser eficientesy actualmentese investiganpara los siguientesfines agrfcolas:a)revigorizaci6nde semillaspararecuperar vigor e incrementarla longevidaddurante el almacenamiento,b)acondicionamientopara incrementar,acelerary uniformar la germinacion y el establecimiento,c)acondicionamientode semillas para eliminar dorrnanciaorganica 0 impuestay d)robustecimientode semillas para incrementarla germinaci6n,el establecimientoy los rendimientosde las plantasresultantesde los tratamientos,bajo condiciones ambientalesadversas (Bradford 1986, Welbaum y Bradford 1991, Khan 1992, Prisco et al. 1992,Thanosy Mitrakos 1992,Corbineauet al. 1994,Jett et al. 1995, Oluoch y Welbaum 1996, Chojnowski et al. 1997, Orta et al. 1998, Sanchez et al. 1999ab). Revigorizacion de semillas para recuperar vigor e incrementar la longevidad durante el almacenamiento La perdidade la viabilidad 0 deteriorode las semillaspar el envejecimientosedebefundamentalmentea la acumulaci6nde radicales libres,deficit de sustanciasde reservas,acumulacion de inhibidoresdel crecimiento,agentesmutagenos,y a la desnaturalizacionde los acidos nucleicos, las protefnasy lipoprotefnascelulares (Illi 1982,McDonald 1999,2000). Par 10tanto, los tratamientosde hidratacionparcialade~asde producir la activaci6ngeneraldel aparatometabolico relacionadocon la rase pregerminativa, restauranla integridadde las celulas(autoreparaci6n enzimaticade las membranas)a travesde la SANCHEZ et al.: Tratamientospregerminatoriosde hidrataci6n-deshidrataci6n de las semillas sintesisde lipidos, proteinas,ARN y ADN como rue descrito para semillas frescaspar Bewley y Black (1994) y Bewley (1997a).Tambienexisten evidenciasque log tratamientosde hidratacion parcial de lag semillas activan mecanismos de reparacionde ADN, proteinas,membranasy enzimas,y log sistemasdesintoxicantes(eliminan radicaleslibres) (Dell' Aquila y Triito 1991, Jeng y Sung 1994, Sivritepe y Dourado 1994, Kalpanay Madhava-Rao1997,Kesteret al. 1997 Bailly et al. 1998,2000). Thanoset al. (1989)estudiaronla relacion existente entre el osmoacondicionamientoy el envejecimientodelas semillasde pimiento (Capsicum annuumL.), almacenadasdurante3 anos. Ellos lograron con solo un cicIo de osmoacondicionamientoen manitol antesy/o despuesdel almacenamiento,incrementar significativamente la germinacion con respecto alas semillas no tratadas; 10 que demuestra,probablementela participacionde estostratamientos,en la activacion de log procesosreparadoresde membranas, reportados en otras especies (Ward y Powell 1983, Burgassy Powell 1984).Goldsworthy et al. (1982), lograron revigorizar semillas de trigo (Triticum aestivum L.) con solo 30 min de imbibicion. Concluyeronademas,que log mecanismos reparadoresde membranasactuan en ausenciade oxigeno, 10 que facilita el usa comercial de este metoda de inmersion total en agua.Sin embargo,otros estudiosban sugerido que el oxigeno incrementalog procesosreparadares en lag semillas envejecidascuando estas alcanzan un alto contenido de humedad (2444%) (Ibrahim et al. 1983, Petruzzeli 1986),10 cual demuestraque la actividad respiratoria es un componenteesencialen los procesosreparadares (McDonald 2000). Par su parte,Punjabiy Basu(1982)reportaron que el acondicionamientoaplicadoa semilIas de lechuga,incrementosensiblementela resistenciade lag mismas a condicionesadversas de almacenamiento,y minimizo el efecto nocivo de lag radiacionesionizantes aplicadasantes 0 despuesdel acondicionamiento,reduciendosela concentracionde radicaleslibres en semillastratadascon respectoal testigo. Sin embargo,Rao et al. (1987)en investigacionessimilaresrealiza- 77 dascon la misma especie,aseguranque el acondicionamientomuestraun efecto profilactico somero; pero si un efecto terapeuticonotablecon relacion al almacenamientode lag semilias en condicionesadversas,expresadoen: disminucion del numero de aberracionescromosomicasy anomaliasmorfologicasde lag plantas,e incremento de la velocidadde crecimientode lag raices; con respectoa lag plantas provenientesde semillasalmacenadasno acondicionadas. Paracarlaespecie,el tratamientorevigorizadoc pareceejercerun efectoprofilactico, terapeutico, 0 ambos,con relacion al envejecimiento. Las aparentescontradiccionesen log resultadog obtenidospudierandebersea problemasde procedimiento,al desconocerse log requerimientOgexactosde lagsemillasde carlaespecie,variedad 0 late en particular(Bradford 1986,Bradford et al. 1990,Oluoch y Welbaum1996). Dearmanet al. (1986) determinaronque en semillasfrescasde cebolla(Allium cepaL.) se incrementala resistenciaal almacenamientodesrues del tratamientode hidratacionparcial; pero la aplicacionde estetratamientoa semillasenvejecidasno mostroningunefecto.Par el contrario, el acondicionamientoaplicado a embrionesde trigo con diferentesgradosde viabilidad resulto adecuadoparaincrementarla velocidadde sintesis de proteinas,ARN y ADN de log embriones tratadoscon relacional testigo(Dell' Aquila et al. 1978).Alvarado y Bradford (1988) sometiendo lag semillasde tamale a tratamientosacondicionadoreslograronretenerla calidadde lagmismas cuandose almacenaronpar varios anosa 10°C, pero se reduceconsiderablemente su longevidad cuandose almacenana altastemperaturas. Igualmente,Tarquis y Bradford (1992), Smok et al. (1993), Corbineau et al. (1994) y Chojnowskiet al. (1997) demostraronque cuando lag semillasde diferentescultivos se someten a log tratamientospregerminativosde hidratacion-deshidratacionson mas sensiblesal envejecimiento aceleradoque lag no tratadas.Segun Chojnowskiet al. (1997) estopodria deberseala rasede deshidratacionde log tratamientosrevigorizadoresque afectanlog mecanismosenzimaticos protectoresde membranas;como sucedeen lag semillasfrescasde girasol (Heliantusannuus 78 AGRONOMIA COSTARRICENSE L.) al someterseal deteriorocelular inducido pOT el envejecimientoacelerado(Bailly et al. 1996). En general, se evidencia la necesidadde incrementarlas investigacionesrelacionadascon los efectos de los tratamientospregerminativos de hidrataci6n-deshidrataci6n sobrela viabilidad de las semillas, pOTcuanto en el orden practico estosprocedimientospodrian significar una metodologfa sencilla y rapida para incrementarel vigor de las semillasde interesagricola,tanto en la producci6n directa, como su conservaci6nen los bancosde germoplasma. Acondicionamiento de semillas para incrementar, acelerar y sincronizar la germinaci6n y el establecimiento Cualquier lote de semillas, pOThomogeneo que sea,deberapresentarun comportamiento fisiol6gico con distribuci6n normal para cualquieTparametroque se observe.Ese comportamiento correspondecon la variabilidad genetica dellote, expresadoen las caracteristicasde cada semilla como propagulo independiente,y en general,esla expresi6nde la adaptabilidadde la especie para asegurarsu perpetuaci6nen un determinadofango de condicionesambientales(Caver 1983). Las especiesy unidadescultivadas, que ban pasadoun riguroso procesode selecci6ngenetica,presentantambien diversidaden su comportamientogerminativo, 10 que constituye una ventaja desde el punto de vista ecol6gico para evadir la incertidumbre del ambiente, pero el comportamiento heterogeneoatenta contra la aplicaci6nde tratamientosagrotecnicosmasivos, al estar constituidaslas poblacionespOTindividuos en diferentes estadios ontogeneticos.El acondicionamientode las semilIas contribuye a la homogeneidadconductual de la germinaci6n de un lote, ademasde acelerar e incrementar otrosprocesosde interesagron6mico(Cuadro1). El mejoramientodel funcionamientode la germinaci6n pOTlos tratamientosdescritos,no s610se debe a la activaci6n de los eventosmetab61icos relacionadoscon la rase pregerminativa, sino tambien al incrementodel contenidode ADN Y ATP en las semillas (Ozbingol et al. 1999,McDonald 2000);existeunacorrelaci6npositivaen- ire la replicaci6nde ADN y los efectospositivos logrados con los tratamientos (Lanteri et al. 1994,Ozbingol et al. 1999). En la practicaseaplicandiferentessustancias y metodos (descritosen el epfgrafe2) para que las semillaslogren el mismo nivel de humedad y estadofisiol6gico. Los mejoresresultados experimentales,generalmente,se alcanzancon solucionespolimericas, como el polietilenglicol (Heydecker 1974, Bradford 1986), pero en condicionesagron6micas,resultan~as simplesy baratos los metodosde imbibici6n parcial en agua; que ban demostradoseTeficientes, no s610para incrementar,acelerary uniformar la germinaci6n (Gray et al. 1990,Jett et al. 1996,Sanchezet al. 1997,arta et al. 1998),sino tambienparasincronizar e incrementarel establecimientoy los rendimientosde los cultivos (Henckel 1982,Khan et al. 1983, Harris et al. 1999, Sanchez et al. 1999b). POTsu parte diversosautores(Bradford et al. 1988,Jett et al. 1996,Welbaumet al. 1998b) plantearonque el acondicionamientoosm6ticoincrementael establecimientodebido a que acelera la emergenciade las plantulasy disminuyela perdida de electrolitospOTlas semillas(aminoacidos y azucares),esto ultimo contribuyeconsiderablementea disminuir los ataquesftingicos. Acondicionamiento de semillas para eliminar dormancia organica 0 impuesta Antes de discutir esta tematica debemos esclarecercomo se define en la literatura cienufica el termino de dormanciaorganicae impuesta, debidoa que estosconceptosban sido utilizados indiscriminadamentepOTlos investigadores cuando se tiene que precisar las causasque no permitenla gerrninaci6nde las semillas. Segun Nikolaeva (1982) y Bewley y Black (1994) una semilla presentadormanciaorganicacuando,pOTrazonesinherentesa su desarrollo morfol6gico,la composici6ny estructurade suscubiertas,la existenciade mecanismosfisiol6gicosinhibitorios0 la combinaci6nde masde uno de estos factores,el procesode germinaci6nno ocurte a pesarde que las condicionesffsicasdel medio: humedad,temperatura,iluminaci6n, etc., sean 6ptima para ello. Este estado tambien, se ~ M ~ ~ ~ ~ ~ -~. = ., = -'-' ~ ,0 M ~ 0\ 79 .£ 'a. t: ~ >, -= >, ~~ 0\ '-' ~ ~ >, - - M 0\ 0\ SANCHEZ et aI.: Tratamientospregenninatoriosde hidrataci6n-deshidrataci6n de las semillas ~ -~ ~M ~ = .~ '" '-'- -0\ ~ '" ~ ~ >, =~] CQ .u = ~ I: 'a .~ -.u :9 .5 ~ g:=.E == c - "0 .~ ~~ .u,o MM ~~ == 0\0\ -'-"-' - "bo = .£ .~ 0, .-0~ _ '0 >,- = '" ~ .u - ~ - .u.u ~ ~ O\~ -0\ '-'- 00'-' .~ £ -~ ~ ~ :g u ~ .u.u.5 _N 8. ~ 5 ~ = - 0, = £-o.u = ~ :g ,0 = = ~ ~ = .= tU .~ = 0 '00, "', C ~ u -.u = 'a ~ [ ~ ~ -. r-0\ -'-' 0\ '-' ~~ 00 0 - - '" .u J.100- bI) '" ~ "0 >, '-' .£"fo ~. =- "0 .u,' '" ='as .9.~ ~ », .u '8 -0 =~":.u :9 '-' J.1J.1 ~ ~... == ~ .a ~ tU :9 g = .§ e e . ~ oS~ ~ .§ ~ I: .u ~ ~ "'0 d) 0 "'= eu .§ ~. -- 1A ~ oS.g e ~ o~~- 0 - r;I \Q ~ ~ :~ ~ - bI) e + -V) M bl)o, ~ C = -~ oS 0 ~= "'= .~ ~ tu> 'i)"' ~ -V) ~ --:- .J ~ ~ N '-' ~ 'a 8. ~ = e = >,= e~ U;ij' ~ -V) ~ .J 's ~ 9 ~ '" e e oS '" -tUtU... ... -.qo -0 . ~ ~ .J ~ '" ~ c ~ :E 'OJ ..u a g=~ .§B ~ 0 < ,0 ,= ~ -V) ~ J e ~ .:= ~ a ~ ~ ~ ~ -= u ~ --:- .u g .5 0, '" ~ ., ~ ~ '-' ~~ ~ .~ ~ ., ~ '-' 0 ] u :E U tu y .~ ~ ~ C ~] ~. = 'i)"' = = ~ - ~ e ~'" Utu 'OJ ~ -~ . tU tU ~ ~ oS -8 ~ .u -, 0, -S =B .~ ~ ~'" ~8. 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En adelanteutilizaremos los terminos de dormancia organica 0 dormancia impuestapara definir la incapacidadde germinaci6nde semillas viablesdebidoa propiedadesinherentesa la semilla en sf 0 a factoresdel media,respectivamente. Acondicionamiento para e1iminar dormancia organica Levitt y Hamm (1943) lograron acelerar el procesode postmaduraci6nen las semillasde Taraxacumkok-saghyzmediantela aplicaci6nde solucionessalinas.Posteriormente,Heydeckery Coolbear (1977) y Wiebe y Tiessen(1979) tambien determinaronque los tratamientosacondicionadoresintervienenen la maduraci6nfisiol6gica de las semillas. De acuerdoa 10anterior, las semillas inmadurasdebenser mas beneficiadaspar los tratamientos acondicionadores,que las semillas completamentemaduras0 sin dormanciaorganica embrionaria. Bradford et al. (1990) comprobaronestahip6tesisen 42 lotesde semillasde pimiento de diferentesgrados maduraci6n.Ellos lograron los mejoresresultadosparaincrementar y acelerarla germinaci6n,cuandolos tratamientos acondicionadoresfueron aplicadosen semilIas frescascon bajo parler germinativo inicial 0 inmaduras. Welbaum y Bradford (1991) Y Oluoch y Welbaum (1996) tambien determinaron, que la efectividad de estostratamientosen semillasde mel6n de castilla (CucumismelDL.) dependedel gradode maduraci6nque tenganlas mismasen su momentade obtenci6n.Concluyeran ademas,que el incrementode la germinaci6n par la hidrataci6nparcial no s6lo sedebea la activaci6n de los mecanismosreparadoresde membranas reportadosen diferentescultivos (Ward y Powell 1983,Dearmanet al. 1986, Choudhuriy Basu 1988);al parecer,estaninvolucradosotros procesosrelacionadoscon la maduraci6nfisiol6- 81 gica de las semillas.Tambiense canaceque los tratamientosacondicionadoresdisminuyenla resistenciamecanicaque ofreceel endosperrnoa la emergenciade la radfcula, al parecerlos tratamientos activan la endo-l3-manasa, enzima responsable de la degradaci6n del endospermo (Bewley 1997b,Welbaumet al. 1998a). Par su parte, Kermode et al. (1985) propaneD que los tratamientos acondicionadores promuevenla maduraci6nde las semillasporque induceDla expresi6ncompletade los genesrelacionadoscon la germinaci6n;mientras HalpinInghany Sundstron(1992), Smok et al. (1993) y Bray (1995) sugierenque el acondicionamiento incrementala actividadrespiratoria,la sfntesisde protefnas,ARN y ADN. Ademas,Fu et al. (1988) y Chojnoswki et al. (1997) determinaronque los procedimientosmencionadosincrementanla capacidad de convertir al acido 1-aminociclopropoano-1-carboxflicoen etileno, compuestoresponsablede la maduraci6nfisiol6gica de las semillas y par consiguiente de la germinaci6n (Bewley y Black 1994). Los tratamientosacondicionadores no s610 permiteneliminar la dormanciaorganicarelacionada con el desarrolloembrionario; al parecer, tambienpuedeneliminar 0 evitar dormanciaorganica ex6genadebido a la impermeabilidadde las cubiertasde las semillas,como sucedeen Vigna ungiculata(Ellis et al. 1982). La humidificaci6n de las semillasde estaespeciecon posterioridada su almacenamiento en seco(4.4 a 4.5% de contenido de humedad)y tarnbienantesde ser sembradas,permiteincrementarel porcentajede germinaci6n final con respectoal testigo.Este comportamientode las semillasde \I; ungiculatapudieraestar relacionadoconlos efectoscolateralesdel tratamiento acondicionadorsabrelos mecanismosde dormanciatfpicos de la leguminosay otrasespecies con "semillasduras", descritospar Poptsov (1976) y basadosen evidenciasde la correlaci6n que existeentrela desecaci6ny el incrementodel nivel de dormanciade las semillasde estetipo. Acondicionamiento para eliminar dormancia impuesta Thanosy Georghiou(1988), al osmocondicionar semillas de pepino y de tamale en 82 AGRONOMIACOSTARRICENSE solucionesde sacarosa,manitol y NaCllograron incrementary acelerarsignificativamentela germinacion bajo condicionesadversasde iluminacion. Efecto que se debeal mecanismoalternativo de escapedel fitocromo (pigmentofotorreceptor de la luz y encargadode regular la germinacion en las semillas fotosensibles),que al rehidratarseincrementalos niveles de fitocromo activo en las semillas y pOTconsiguiente,desencadenala germinacion. Normalmente, las semillas fotosensibles al seTirradiadascon luz blanca0 roja eliminan la fotoinhibicion (Bewley y Black 1982). Sin embargo,esta no es la unica via para lograr que el fitocromo inactivo (inhibidor de la germinacion) rase a su forma activa; investigacionesrecientes (Orozco-Segoviay Vazquez-Yanes1992) ban demostradoque estefenomenoestamuy correlacionado con el ambienteedafoclimaticoque rodea las semillas. POTejemplo, se plantea que existenformas bioqufmicasintermediasdel fitocromo activo que requierende humedadparapasaTa la forma activadel pigmento(Casaly Smith 1989,Bewley y Black 1994);de estemodo, queda clara la participacionde los tratamientospregerminativosde hidratacionparcial en esteproceso;es decir, permitenla rehidrataciondel fitocromo y con esto la activacion y el inicio de la germinacionen ambienteslumfnicos no adecuados parala germinacion. Los tratamientos acondicionadorestambien, ban sido utilizadosparaevitar la termoinhibicion de las semillas en temperaturassuboptimasy supraoptimasde germinacion(Khan 1977, Cantliffe 1981,Cantliffe et al. 1984,Wurr y FeIlows 1984,Welbaumy Bradford 1991,Prusinki y Khan 1993). Cantliffe et al. (1984),acondicionandosemillas de lechugaen solucionesde K3PO4y en agua lograron eliminar la termodormanciaque adquierenlas semillasde estaespeciecuandose siembran a 35 °C. Concluyeron,que tal efectose debea la activacionde eventosmetabolicos irreversibles,como la elongacioncelular, durantela fasede hidratacionde los tratamientosacondicionadores,que permite la germinacionaun cuando las semillasse rehidratenen temperaturasinadecuadas.Estos autoresademasplantearon,que la termodormanciaen las semilIas se imponepOTla inhibicion de la elongaciony division celular,como ocurre en las semillas no tratadas0 testigo. Welbaumy Bradford (1991),acondicionandosemill as de melon de castilla en solucion salina tambien, lograron eliminar termodormancia en temperaturassuboptimas;10 que demuestra, la efectividadde los tratamientospara evitar la termoinhibicion y pOTconsiguiente,la termodormancia. Robustecimientode semillas para incrementar la germinacion, el establecimientoy los rendimientos de las plantas bajo condiciones de estresambiental Heydecker (1982) en sus compilaciones sobre estres y germinacionreviso la literatura existente sobre tratamientosrobustecedoresde las semillas(seedhardening)y concluyoque,exceptoen muy Tarascontribucionescasitodala teoria sobreestostratamientossebasaen los resultadosobtenidospOTHenckely colaboradores en Rusia. POTsu parteHenckel(1982)en su libro: "Fisiologfade las plantasresistentesal calor y ala sequfa" sintetizatoda la experienciaacumuladadurante varias decadassobre los mecanismosde adaptacionde las plantasal estresambiental. Los tratamientosrobustecedoresse realizanpOTmetodosmuy simples,consistenen agregar cantidadeslimitadasde aguaalas semillasde maDeraque el nivel de hidratacionque alcancen permita solo la emergenciaincipiente del embrion, que bajo esteestadodebepermanecerduranteuna 0 variasjornadasde desecacional aire (Henckel 1964).Asf, las plantasdurantelas primerasetapasdel desarrollo,Stiffenel estreshfdrico provocadopOTel tratamientoy activannumerosos mecanismosfisiologicos de resistenciaal estres,que permaneceran latentesen condiciones ambientalesidoneas(Heydecker1982). La expresion fenotfpica de esta relacion genotipo-ambientese traduceen profundoscambios bioqufmicosy fisiologicos que incrementan la toleranciade las plantasno solo ala sequfa,sino tambienalas altas0 bajastemperaturasy a la salinidad,a partir de la germinaciony durantetodo el desarrolloontogenetico,basta los valores finales de rendimientode los cultivos (Henckel SANCHEZ et aI.: Tratarnientospregerminatoriosde hidrataci6n-deshidrataci6n de las semillas 1982, Rehman et al. 1998ab). Segun Henckel (1964, 1975), Henckel y Tvorus (1978, 1982) Y Tvorus (1982) las caracteristicasadaptativasadquiridas par las plantasdespuesdel tratamiento robustecedorpueden resumirse como: l)citoplasmacon alta viscosidady elasticidad;2)alto nivel hidrofilico de 10scoloidescitoplasmaticos; 3)mayores contenidos de ARN, ADN Y ATP; 4)potencial osm6tico ligeramentemayor; 5)mayor resistenciade polisomasal recalentamientoy a la deshidrataci6n;6)recuperacionmas rapida de las funciones perdidasdespuesde la sequfa, como par ejemplo la fosforilaci6n oxidativa; 7)estructurasxerom6rficasespecfficas,como celulas mas pequefias;y 8)sistemasregenerativos mejor protegidoscontra dafiosambientales. Par su parte, otros investigadoresbasandoseen el mismo principia creadopar Henckely colaboradorespara robustecerplantas ban propuestometodosde robustecimientoconsistentes en someteralas semillasrecien germinadasa altas temperaturas (Altschuler y Mascarenhas 1982, Copper y Ho 1983). Se planteaque una breve exposici6n a una temperatura subletal (choque termico), induce tolerancia al calor en una variada gama de plantas (Cardemil 1985, Vierling 1990, 1991; Medina y Cardemil 1993; Ortiz et al. 1995, Bettey y Finch-Savage1998). Cooper y Ho (1983) ademasplantearon,que la adquisicionde la termotoleranciasecorrelaciona con una mayor sfntesisde protefnasde alto peso molecular 0 de estres calorico, que al parecer, evitan la desnaturalizacionde las protefnasde membranasal ser sometidaslas plantas a altas temperaturas.Vierling (1991) planteoque no esta definido auncomo las protefnasde choquetermica contribuyena la capacidadde los organismas de sobrevivir al estrescalorico. Este tipo de tratamiento tambien puede inducir la toleranciaa la sequfa;pero IDSefectos que sabre las plantaspodrian tener la combinacion del choquetermico con los tratamientosde hidratacion-deshidrataci6nen semillas sin germinar ban sido muy poco estudiadosbastadonde conocemos(Sanchezet al. 1998, Calvo et al. 1999).Recientemente,Sanchezet al. (2000) sometiendosemillasde tomatey de pimiento a un cicIo de hidrataci6n parcial basta2 h antesdel 83 inicio de la germinaci6nen combinaci6ncon un choquetermico a 36°C638°C duranteI h, lograroo incrementarsignificativamentela germinacion y el vigor de las plantulasbajo condiciones de estrescalorico con relacional testigo.Con dichos tratamientosademas,se obtuvo resultados superioresa IDSalcanzadoscon 10stratamientos tradicionalesde hidratacion-deshidrataci6n y de choquetermico.Lo cual evidencia,el sinergismo que establecela combinacionde IDStratamientos hidratacionparcialcon IDSde choquetermicosobre la respuestagerminativade estasespecies. Sin embargo, en semillas de pepino la combinacionde ambostratamientosno rue la oplima para mejorar el comportamientogerminativo estaespecie(Sanchezet al. 2000).Esteresultado podria debersea la falta de estandarizacion de IDStratamientosen la variedadde pepinoempleadodebido a que en otras variedadesde esta especiecon la combinacionde los tratamientos mencionadosse obtienenlos mejoresresultados para incrementarla germinacionbajo deficit hfdrico (Calvo el at. 1999).Coopery Ho (1983) y Vierling (1991) senalarontambien,que la efectividad de los tratamientosde choquetermico dependedel momentay tiempo de aplicaci6nde los mismos;asf como de la temperaturadel procedimientotermico. Tambien en semillas de especiesarb6reas pioneras (CecropiaschreberianaMiq., HibiscuselatusSw. y Trichospermumgrewiifolium Kosterm)la combinacionde ambostratamientos rue la mas adecuadapara incrementarla velocidad de germinaciony el vigor de las plantulasen condicionesde estreshfdrico, cal6rico y lumfnico (Sanchezet al. 1998,Sanchez2000); estodemuestra,la efectividadde la combinacionde dichos procedimientosno solo en plantashortfcolas, sino tambienen especiesforestalesquejuegaDun papelimportanteen la repoblaci6nde los bosques(Herreraet al. 1997,Munoz 1?98). En general,todasestascaracteristicasfisiologicasy bioqufmicasadquiridaspar las plantas robustecidas,se expresanen una ligera pero significativa mayor resistenciaal estresambiental a partir de la germ:inaciony durantetodo el desarrollo ontogeneticode la planta, hasta IDS valores finales de rendimiento de IDScultivos \ 84 AGRONOMIA COSTARRICENSE (Lush y Groves 1981, Henckel 1982, Orta et al. 1998, 2000; Sanchez et al. 1999ab), aunque segun Bewley (1979) y Heydecker (1982) no todos los autores (Jarvis y Jarvis 1964, Husain et al. 1968, Woodruff 1969) coinciden en que el efecto robustecedor se mantenga constante durante todo el cicIo de vida de las plantas. Ante estas evidencias, cabe cuestionarse si el tratamiento robustecedar rue aplicado correctamente a IDs requerimientos de la especie, variedad 0 late particular, 0 si las semillas de la especie investigada no responden efectivamente al tratamiento par carecer de mecanismos estables de resistencia al estres, que puedan ser estimulados par el mismo; par ejemplo tendrfa muy poco sentido tratar de robustecer semillas de especies de plantas acuaticas, par cuanto IDs mecanismos de resistencia a la sequia pueden no existir 0 ser muy debiles, par 10 que el tratamiento mostraria un efecto negligible 0 nulo. cultura organica 0 sustentable, debido a que pueden incrementarse la genninacion, el establecimiento y IDs rendimientos de las plantas, minimizando la dependencia de IDs productos quimicos y sistemas de irrigacion. Finalmente, serfa muy promisorio extender IDs tratamientos referidos en especies forestales no solo par su interes teorico, sino par la magnitud de la significancia practica, que podrfan tener la aplicacion de estos en la reforestacion bajo condiciones de estres ambiental y par consiguiente, durante IDs cambios climaticas que estan sucediendo. LITERATURA CITADA ALLEN P.S.1997.Dehydration of primedseedscanalterrateof subsequent radicleemergence. In: Fifth national symposiumon standestablishment. Ed. by M.A. Bennett,J.D.Metzger.Columbus, Ohio.p. 158-163. ALTSCHULERM.,' MASCARENHASJ.M. 1982.Heat shock proteins and effects of heat shock in plants. CONCLUSIONES PlantMol. BioI. 1:103-115. Y RECOMENDACIONES . . EI estado del conoclmlento actual sabre IDs tratamientos pregenninativos de hidrataciondeshidratacion a nivel intemacional acumula suficientes evidencias acerca de la efectividad de IDs mismos, cuando se aplican de acuerdo a los . .. requenmlentos de las semillas de cada late. Estos tratamientos incrementan, aceleran y sincronizan la genninacion, estimulan la autoreparacion enzimatica de las membranas celulares, eliminan 0 .t I do a .a las sem.llas hace - evi an a presar nn nci en .. fenotiplcamente I adaptaclones y de n ex las plan- tas a condiciones de estres ambiental. AI parecer, IDs principales obstaculos para el usa comercial de IDs mismos se debe ala relativa complejidad d I d II (C d 1) I . d d e a gunos e e os ua ro y a a ma ecua a extensiony divulgacion de IDs resultadosen el media rural. Los tratamientos acondicionadores, revigorizadores y robustecedores deberan extenderse I " d . 'I ' en a practlca pro uctlva no so 0 como una via altemativa para mejorar el comportamiento agronomico de las plantas de interes agricola, sino tambien como un media para desarrollar la agri- ALVARADO A.D., BRADFORD K.J. 1988.Priming andstorage of tomato (Lycopersiconesculentum)seeds.I. 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