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LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

La salinidad: ¿un problema o una opción para la agricultura? Edgar Ornar Rueda Puente (coordinador) Jesús Manuel Barrón Hoyos Pablo Preciado Rangel Georgina Florencia López Ríos Bernardo Murillo Amador José Luis García Hernández Mario Antonio Tarazón Herrera Enrique Troyo Diéguez

Primera edición: julio de 2009

DR © Edgar Ornar Rueda Puente (coordinador), Jesús Manuel Barrón Hoyos, Pablo Preciado Rangel, Georgina Florencia López Ríos, Bernardo Murillo Amador, José Luis García Hernández, Mario Antonio Tarazón Herrera, Enrique Troyo Diéguez DR © Universidad de Sonora Universidad de Sonora Boulevard Luis Encinas y Calle Rosales s/n Col. Centro, C.P. 83000 Hermosillo, Sonora, México www.uson.mx © Plaza y Valdés S. A. de C. V. Manuel María Contreras 73. Colonia San Rafael México, D. F. 06470. Teléfono: 5097 20 70 editorial@plazayvaldes.com www.plazay valdes. com Calle de Las Era 30, B 28670, Villaviciosa de Odón Madrid, España. Teléfono: 91 665 89 59 madrid@plazayvaldes.com www.plazayvaldes.es ISBN: 978-607-402-139-4 Este libro se publicó con el apoyo del Programa Integral de Fortalecimiento Institucional C/PIFI2007-26-38-108. Impreso en México / Printed in Mexico

Agradecemos de manera especial al Ing. José Cruz Toledo Matus del Instituto Tecnológico del Istmo, por el permiso de autoría del tema de sales. Se agradece de manera especial a la Lic. Rosa Elena Rodríguez Sánchez por su valiosa ayuda en la traducción de artículos científicos. Se agradece al doctor Mauricio Aguilera Contreras y al Dr. René Martínez Elizondo, investigadores de la Universidad Autónoma de Chapingo, por el permiso de autoría del libro Relaciones agua suelo planta atmósfera. Se agradece a la Maestra en Ciencias Georgina Ríos López investigadora de la Universidad Autónoma de Chapingo, por el permiso de autoría de la obra: Bioquímica de plantas.

Índice Presentación

Agradecimientos

Introducción

1. Sales Moléculas sencillas Moléculas compuestas Compuestos binarios Compuestos ternarios Compuestos cuaternarios Especies iónicas Familias de compuestos

19 20 21 21 21 21 22 23

2. Origen de las sales Estado en que se encuentran las sales en el suelo Proceso de formación de suelos con altos contenidos de sales Proceso de salinización Factores que favorecen el proceso de salinización

29 29 30 32 32

3. Composición química de los vegetales Composición de las plantas Constitución elemental de los vegetales Funciones de los nutrimentos en las plantas Funciones que puede desempeñar un elemento nutritivo

33 33 34 39 40

4. La célula vegetal Composición química de la pared celular Formación de la pared celular

55 57 66

5. La importancia del agua en la planta y otros seres vivos Características físicas Características químicas El agua y la planta

73 73 74 75

6. El agua de riego Calidad del agua de riego

119 119

7. Suelo

123

Propiedades físicas y químicas del suelo

124

8. Clasificación de suelos con base en salinidad y sodicidad

127

9. Absorción y traslado de solutos inorgánicos Cinco etapas de absorción de los nutrientes 10. Efecto de la salinidad y el sodio sobre las plantas Principales efectos directos que provoca la salinidad en la planta

129 131 149 151

11. Tolerancia a la sal y potencial de cultivo de las halófitas Clasificación-diversidad de las halófitas Definición de tolerancia a salinidad Mecanismos de tolerancia a la sal de las halófitas

153 157 161 163

12. Las halófitas en la agricultura Aspectos agropotenciales de las halófitas Uso de aguas salinas con fines agrícolas El mejoramiento genético en las halófitas bajo condiciones de salinidad

181 181 186 191

13. Salicornia bigelovii. Estudios desarrollados en el noroeste de México. Universidad de Sonora/Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste S.C Detección de bacterias fijadoras de nitrógeno en la rizósfera de Salicornia bigelovii (Torr.) Influencia de la bacteria Klebsiella pneumoniae en la germinación de Salicornia bigelovii silvestre y cv. sos-10 Efecto de la bacteria Klebsiella pneumoniae en el desarrollo inicial de Salicornia bigelovii Evaluación de las variables de crecimiento, de desarrollo y de la producción de Salicornia bigelovii con la inoculación de Klebsiella pneumoniae condiciones de Germinación de campo ecotipos de Salicornia bigelovii por el efecto de la inoculación de bacterias promotoras de crecimiento en plantas

224

14. Discusión general

227

Conclusiones generales

233

Perspectivas

237

Bibliografía

239

193 195 204 210

211

Presentación

a producción de alimentos de origen agrícola resulta un objeto de estudio complejo. La solución de los diferentes problemas que la agricultura afronta requiere del concurso de diferentes disciplinas. La producción vegetal es el resultado del interjuego de un amplio número de variables, con efectos importantes en el rendimiento y calidad de los productos. Dentro de estas variables, se encuentran aquellos factores abióticos como la indisponibilidad de agua, altas y bajas temperaturas, fuertes y repentinas lluvias, pH y salinidad, principalmente. En relación con este último, las tierras agrícolas irrigadas presentan un rango de salinización y disturbios. En algunos países, más de la mitad de la tierra agrícola está inutilizada —o seriamente afectada— por la salinización, causando disminución de los rendimientos; y, debido a que la mayor parte de agricultura irrigada se realiza en las tierras áridas y semiáridas, la acumulación de sal contribuye al proceso de desertificación. La dirección de la ampliación del conocimiento en este rubro nos orienta a la necesidad de cultivos que puedan realizarse bajo condiciones de alta salinidad. Para utilizar tierras impactadas con sales, algunos científicos se han avocado al desarrollo de cultivos tolerantes a la sal o halófitos. Los desiertos costeros, o de tierras adentro, podrían ser irrigados con agua de mar o de pozos con acuíferos salinos para cultivar una variedad de cultivos —tolerantes a la salinidad— para alimento humano, forestal y forraje animal. Considerando lo anterior, existen diversas obras que se han escrito sobre la salinidad, dedicadas principalmente a describir características desde el punto de vista químico, edafológico o pedológico. En una institución universitaria, y sobre todo cuando se trata de docencia, es indispensable que el alumno cuente con sustento bibliográfico adecuado de los objetivos que la investigación a nivel nacional e internacional desea desarrollar en un futuro ya presente. En frecuentes ocasiones, el estudiante de ciencias agronómicas se 13

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encuentra con el problema de la disponibilidad de material bibliográfico. Los textos generalmente tratan los temas con poca profundidad y el estudiante debe resolver un verdadero rompecabezas bibliográfico para obtener los conocimientos que desea. Por lo anterior, debe contarse con material académico que abarque todos los temas con suficiente profundidad, para dar una base firme que esté adaptada al programa de estudios de una materia en particular. La salinidad: ¿un problema o una opción para la agricultura? ofrece una introducción al estudio de las sales en el suelo y la planta, que se propone guiar a los estudiantes de las ciencias agronómicas y biotecnológicas, al personal profesional que ofrece asistencia técnica, a los académicos que tienen a su cargo las asignaturas relacionadas con la producción de plantas en condiciones salinas. La presente obra aborda aspectos básicos de las sales, desde el punto de vista químico. Previo al conocimiento desarrollado que se ha generado acerca del efecto de las sales en el agua, el suelo y la planta, se ofrece, en el presente documento, el estudio de la composición de la célula vegetal, orientada a una asimilación de nutrientes. Una diferenciación elemental de las sales, como el sodio y calcio, está incluida, con el objeto de obtener mejor provecho de la información contenida en este libro. Asimismo, se abordan las características propias de un grupo de plantas que se desarrollan, en forma natural, en condiciones de salinidad, las cuales, al presentar un potencial agroindustrial, pueden ser introducidas al sector agrícola. Esperamos que el lector, en la mayoría de los casos, no se limite a los párrafos dedicados a cada tema, sino que vaya más allá y recurra a las obras que se citan en la bibliografía. Es oportuno señalar que el enfoque filosófico de este libro es la búsqueda de ampliar el conocimiento en esta área, induciendo, en lo profesional, una perspectiva positiva a la salinidad. Finalmente, es importante señalar que esta obra será actualizada periódicamente, a efecto de incluir información nueva sobre las sales en las plantas. En diferentes partes del mundo, y en la República mexicana, en particular, existen proyectos en marcha, cuyos resultados deben incorporarse a una nueva edición de este libro, una vez que sean publicados. De igual manera, las observaciones que seguramente surgirán de los lectores, deberán ser incorporadas para mejorar gradualmente este libro. Dr. Juan Ángel Larrinaga Mayoral Director del Programa de Agricultura de Zonas Áridas del Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste S.C. (CIBNOR). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (SNI-CONACYT) La Paz, Baja California, Sur, México 14

Agradecimientos

a presente obra ha sido posible gracias al apoyo, moral y económico, de la Universidad de Sonora y, fundamentalmente a la Dirección de Investigación y Posgrado. Los autores deseamos expresar nuestro profundo agradecimiento al doctor Pedro Ortega Romero, rector de la Universidad de Sonora; al M. E. Arturo Baldenegro Campa, vicerrector de la Unidad Regional Norte; al doctor Fernando Enrique Velázquez Contreras, director de la Secretaría General Académica; gracias también al doctor Jesús Manuel Barrón Hoyos, director de Investigación y Posgrado, y M. A. Salomón Moreno Medina Moreno, director de la División de Ciencias Administrativas Contables y Agropecuarias, quienes, en conjunto, han concedido apoyo para el desarrollo profesional de los autores. Asimismo, nuestra gratitud al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), a través del programa Consolidación Institucional Convocatoria 2004 —CONACYT, en el Programa de Apoyo Complementario para la Consolidación Institucional de Grupos de Investigación (Repatriación, Retención, Descentralización y Profesores Visitantes), con expediente 040147 y estancia aprobada del doctor Bernardo Murillo en Apoyos Complementarios para la Consolidación Institucional de Grupos de Investigación (Repatriación, Retención y Estancias de Consolidación) 2007. Un agradecimiento especial al doctor Mauricio Aguilera Contreras y al doctor René Martínez Elizondo investigadores de la Universidad Autónoma de Chapingo, por el permiso de autoría del libro Relaciones agua suelo planta atmósfera, así como a la M. C. Georgina Ríos López investigadora de esa misma Casa de Estudios, por su permiso de autor de la obra: Bioquímica de Plantas. Agradecemos de manera especial al ingeniero José Cruz Toledo Matus del Instituto Tecnológico del Istmo, por el permiso de autoría del tema de sales. Como coordinador responsable de esta publicación, agradezco entrañablemente la colaboración de los autores que participan en la obra. Y, de forma personal, deseo 15

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aprovechar este espacio para expresar mi agradecimiento y dedicar el presente libro a mi familia: a Alejandra mi esposa, y a mis hijos Alejandra Sarahí, Joel Ángel, Gilberto José María y Dulce María, quienes son el motor de mi andar por esta vida. La presente obra se dedica a esos seres que me apoyan continuamente. A mis padres: Gilberto Rueda de León y Bertha Gloria Puente de Rueda, así como a la señora Alicia Domínguez Murillo. Con aprecio para ustedes hermanos ¡gracias por guiar los pasos de un servidor! (Luis Javier Rueda Guardado, Roberto Carlos Vázquez Juárez, A. Escobar Hernández, Carlos Mota Urbina y Félix Ayala Chairez). Edgar Ornar Rueda Puente

Introducción

a salinidad y la sodicidad son problemas comunes en las regiones semiáridas y áridas del mundo, donde las precipitaciones son insuficientes para lixiviar las sales y el exceso de iones de sodio en la zona de la rizósfera de las plantas. Además, estas áreas se caracterizan por tener altas tasas de evaporación, lo que propicia un aumento en la concentración de sales en la superficie del suelo. Estos problemas están presentes en gran parte de las áreas agrícolas, en donde el problema se ha acentuado o incrementado por las malas prácticas de riego y fertilización. Un campo agrícola no es inmune a la salinización; por lo tanto, para mantener los campos productivos por mayores periodos de tiempo, es vital y urgente trabajar en nuevas líneas de investigación que permitan la obtención de altos rendimientos y mantener la rentabilidad de los cultivos. El desarrollo y éxito de los cultivos requiere de condiciones propias del suelo, incluyendo el suministro adecuado de agua y fertilizantes, entre otras. Algunas condiciones desfavorables del suelo, tales como la salinidad y/o sodicidad, suministro inadecuado de nutrientes, tienen un efecto adverso sobre la fisiología, crecimiento y desarrollo de las plantas, lo que en algunos casos afecta severamente la producción en los campos agrícolas de las regiones áridas y semiáridas. Por otro lado, el problema de los suelos afectados por sales, a nivel mundial, está en aumento. Cerca de 10% de la superficie agrícola total está afectado por algún tipo de sales. La distribución de los suelos afectados por este problema en el mundo es aproximadamente 954.8 millones de hectáreas. De estas, la mayor parte se localiza en Asia con 33%; 15% en el continente Americano; 8.5% en África; 37.5% en Australia y 6% en Europa. Como se observa, nuestro planeta en ningún continente está a salvo del problema de salinidad. Es importante mencionar que la salinidad no solo está presente en ambientes desérticos y semidesérticos, sino también en suelos fértiles, en los valles a lados de 17

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ríos y en zonas costeras cercanas a comunidades densamente pobladas; lo anterior, en su mayoría, propiciado por la introducción de sistemas de riego modernos. Desde el punto de vista de la productividad, la salinidad del suelo y del agua son un problema indeseable para la agricultura. Sin embargo, esto no es incompatible para la vida de las plantas, ya que se puede observar que existe una gran diversidad de ellas, las cuales presentan una gran variedad de respuestas a la salinidad. Conocer la respuesta de una determinada especie nos ayuda a conocer su tolerancia, para poder recomendar su subsecuente uso bajo dichas condiciones y, como siguiente paso, estudiar el mecanismo mediante el cual se ajusta a niveles altos de salinidad. Las sales afectan principalmente al sistema: agua-suelo-planta. Previo a mostrar los efectos de las sales en cada uno de los componentes de este sistema, se debe de conocer qué son las sales.

1 Sales

a química tiene como objetivo el estudio de la materia: su naturaleza, estructura, propiedades y transformaciones que en ella pueden ocurrir. Entendemos por materia todo aquello que existe, encontrándonos, por lo regular, que siempre está formando mezclas de distintos tipos de materiales, los cuales podemos separar y diferenciar de acuerdo con su comportamiento, y referirnos a ellos con el término sustancia. Sustancia es, pues, una muestra de materia en estado puro. Es un material de un mismo tipo que, para diferenciarlo de otros, utiliza un nombre; este nombre será asignado procurando dar con él la mayor información posible sobre la sustancia referida. Existe una gran diversidad de sustancias, las cuales pueden ser agrupadas en familias de acuerdo con su composición y propiedades, estableciendo así una sistematización de todas ellas que nos permita facilitar su nomenclatura. Dentro de la gran diversidad de sustancias podemos formar dos grupos: uno reúne a poco más de un centenar de sustancias simples o elementales, y el otro al gran número de sustancias compuestas, formadas precisamente por combinaciones que se dan entre las sustancias elementales. Una sustancia es simple cuando no puede ser descompuesta en otra más sencilla al aplicar algún método físico o químico de uso común. Las sustancias simples son llamadas también elementos y se representan mediante símbolos, los cuales casi siempre son la primera letra del nombre escrita en mayúscula, y puede estar acompañada de una segunda letra en minúscula. Las sustancias compuestas pueden descomponerse en sustancias simples y son propiamente llamadas compuestos. Se representan mediante fórmula, las cuales están constituidas por los símbolos de las sustancias elementales que forman al compuesto, así como por números que especifiquen la proporción de cada uno de los elementos, 19

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de tal manera que la fórmula nos brinde información cualitativa y cuantitativa sobre la composición de la sustancia, La fórmula de un compuesto se escribe colocando inicialmente el símbolo del elemento menos electronegativo, aplicando las reglas establecidas por la unión internacional de química pura y aplicada.

Existen porciones mínimas que no pueden fraccionarse más sin que pierdan las características de las sustancias. En el caso de los elementos se le conoce como átomo y en los compuestos se le denomina molécula. Las fórmulas de las sustancias compuestas nos dicen claramente si el compuesto está formado por átomos de solo un elemento, de dos, tres o más. De acuerdo con esto podemos clasificarlas en: • Compuestos binarios: cuando son dos elementos diferentes los que lo integran. • Compuestos ternarios: al ser tres los elementos distintos que lo conforman. • Compuestos cuaternarios: en el caso de que los constituyentes sean cuatro. Esta diferenciación guarda también regular importancia en la nomenclatura.

Moléculas sencillas Están formadas por un átomo o por la asociación de átomos de un solo tipo.

SALES

La condición de una molécula es que pueda existir en forma libre, por ello, si un átomo puede cumplir con esto se le considera una molécula.

Moléculas compuestas Son las formadas por asociación entre átomos de elementos diferentes, y se pueden clasificar en:

Compuestos binarios Están formados por átomos de dos elementos diferentes. Se escribe primero el menos electronegativo.

Compuestos ternarios Formados por tres elementos diferentes. En este tipo de compuestos suelen formarse grupos de elementos que deben escribirse encerrados en paréntesis, para representar el número de veces que se repita dicho grupo. Al igual que en los binarios, se escribe primero el elemento o grupo de elementos menos electronegativo.

Compuestos cuaternarios Constituidos por más de tres elementos diferentes.

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En este caso, la escritura de las fórmulas sigue los mismos criterios que en los anteriores, pero existen algunos en los cuales es necesario modificarlos para que la fórmula sea más representativa de la forma en que los átomos se encuentran unidos en la molécula. Son ejemplos de fórmulas de compuestos diferentes aunque formados por los mismos elementos.

Especies iónicas Existen fórmulas representativas de átomos o grupos de átomos que, por la pérdida o ganancia de electrones, han adquirido cierta carga eléctrica a la cual se le conoce como electrovalencia. Estas especies iónicas, o simplemente iones, pueden presentar carga positiva al originarse por la pérdida de electrones en átomos, regularmente de elementos de baja electronegatividad, como los metales; a este tipo de ion se le conoce como catión. Los no metales generalmente tienden a ganar electrones, ya que presentan una gran electronegatividad; estos originan iones negativos conocidos con el nombre de anión. La escritura de las fórmulas para los iones se hace siguiendo los mismos criterios que antes se mencionaron para sustancias compuestas, agregando un signo y número alusivo a la cantidad de electrones ganados o perdidos para indicar al catión o al anión. Esta distinción se coloca en la parte superior y a la derecha de la fórmula.

Los iones Hidróxido y Amonio son excepción, ya que primero está escrito el símbolo del elemento más electronegativo.

SALES

Familias de compuestos Si bien hemos visto alguna forma de clasificar a los compuestos —agrupándolos en moléculas simples o compuestas, en compuestos binarios, ternarios o poliatómicos—, estas clasificaciones nos sirven de gran ayuda en la escritura de las fórmulas, pero es poca la información que nos brindan sobre las propiedades tanto físicas como químicas de un compuesto. Es por ello que resulta indispensable una clasificación que los agrupe de acuerdo con sus propiedades químicas. Para tal efecto surgen las siguientes funciones químicas y grupos funcionales:

Óxidos Son compuestos binarios formados por la combinación del oxígeno con otro elemento. Si el elemento es un metal, se le conoce como óxido metálico o también como óxido básico. En el caso de que fuera un no metal, se le denomina óxido no metálico u óxido ácido; y, en ocasiones, a algunos se les puede denominar anhídridos.

Ácidos Compuestos que al ser disueltos en agua tienen la capacidad de aumentar la concentración de iones hidronio (H30)+1.

Bases Estas sustancias se caracterizan por aumentar la concentración de iones hidróxilo (OH)-1 cuando están en solución con agua. Si en su fórmula contienen el anión (OH)-1 se les conoce como hidróxidos.

Sales Estos compuestos se obtienen como producto de la neutralización de un ácido o de una base, ya sea por reacción entre ellos mismos, o con algún metal. Estas familias de compuestos se han establecido con base en la función química que cada uno de ellos desarrolla al ponerse en contacto con otras sustancias. Ejemplos: 23

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Los óxidos, siendo compuestos binarios, se combinan con el agua para producir compuestos ternarios. Los óxidos metálicos producen bases, de ahí el nombre alterno de óxidos básicos.

Los óxidos ácidos reciben este nombre porque al reaccionar con el agua producen sustancias con características ácidas.

Estos ácidos son conocidos como oxiácidos por la presencia del oxígeno. Un gran número de óxidos ácidos pueden también ser llamados anhídridos, dado que se obtienen mediante la deshidratación de algún oxiácido al ser sometido a calentamiento.

SALES

La deshidratación es eliminación del agua. Por eso el nombre de anhídrido, que significa sin agua. Los ácidos pueden ser compuestos binarios o ternarios, formados por la combinación del hidrógeno con otro elemento o grupos de elementos de gran electronegatividad, cuya principal característica es el aumento de iones hidronio (H30)+1 al ser disueltos en agua. Esto les confiere la propiedad de neutralizar los iones hidróxido (OH)" liberados en las soluciones de las bases, formándose agua, además de una sal producto de la combinación del ion negativo (anión) y el positivo (catión) liberados por el ácido y la base respectivamente.

Otra característica de los ácidos es la liberación del hidrógeno presente en ellos cuando reaccionan con algún metal, formándose también una sal.

Las bases o hidróxidos, al ser liberadoras del anión hidróxido (OH)-1, serán capaces de neutralizar a los ácidos, los cuales liberan el catión de hidrógeno (H)+1, formando agua, por lo que mutuamente se neutralizan, originando sustancias de relativa estabilidad. 2 Fe(OH)3 base

3 H 2 S0 4

—>

ácido

Fe2(SO4)3 sal

6H 2 0 agua

Como se puede apreciar, las bases son compuestos ternarios con la participación de un metal, el cual es realmente el que cede el electrón que le confiere la carga negativa al anión (OH)-1, quedando él como un catión. Esto origina que en interacciones entre compuestos que por su fórmula sean llamados hidróxidos, alguno de ellos tenga un comportamiento ácido, lo cual depende de la capacidad de los metales para ceder electrones. Aquel que tenga una mayor electronegatividad se comportará como no metal, y el compuesto que lo posea se comportará como un ácido.

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A los elementos que, dependiendo de las condiciones, pueden adquirir características de metal o de no metal se les conoce como metaloides o anfóteros. Ejemplo: Zn, Mn, Al, Cr, As, Sb, etcétera. Las sales son sustancias de una relativa estabilidad, cuya solubilidad y actividad química depende de los elementos que la integran. Están formadas por un catión —el cual proviene de una base— y un anión, —cuyo origen quizá sea un ácido—, de los cuales se han obtenido por neutralización de las características de ácido y base. Pueden ser compuestos binarios, ternarios o cuaternarios.

Las sales pueden reaccionar entre sí para dar productos de mayor estabilidad:

Reacción entre sales en solución, donde se aprecia un desplazamiento de los componentes, originándose sales de una mayor estabilidad. En compuestos con cationes o aniones multivalentes es posible que se den neutralizaciones parciales, por lo tanto, las sales que así se originen podrán tener características ácidas o básicas.

Este tipo de sales pueden ser neutralizadas con un ion diferente, originando sales mixtas.

SALES

En ocasiones, las sales cristalizan absorbiendo moléculas de agua; a estas se les conoce como sales hidratadas. Su fórmula se escribe anexándole el número de moléculas de agua, a la cual se le conoce como agua de cristalización.

Sales dobles. Algunas sales se depositan formando cristales de dos tipos de sustancias, como los sulfatos de cationes monovalentes y trivalentes. K 2 S0 4 • A12(S04)3 • 24 H 2 0 sulfato doble de aluminio y potasio hidratado Compuestos de coordinación. También conocidos como compuestos complejos; consisten regularmente de un elemento metálico central, al cual se unen varios aniones y/o moléculas llamados ligandos. Se dice que los ligandos están coordinados alrededor del metal central en la primera esfera de coordinación, la cual se indica por paréntesis rectangulares y puede ser catión o anión.

Se puede apreciar que en la escritura de la fórmula de un complejo también se escribe primero el catión seguido del anión.

2 Origen de las sales

n forma natural, todos los suelos agrícolas contienen sales; condición que guardan también las aguas. Las sales son utilizadas por las plantas como nutrientes, aun cuando su uso sea selectivo y preferente. Sin embargo, pueden dañarlas, incluso también a los animales, o bien pueden ser una condición propia de sobrevivencia de algunos tipos de plantas. La fuente original de donde provienen las sales del suelo y del agua, son los minerales que se encuentran formando las rocas que constituyen la corteza terrestre. La formación de las sales se realiza mediante el proceso intemporización (hidrólisissolución-oxidación y carbonatación, a veces precipitación) de las rocas, donde se liberan los minerales que a la postre constituyen los suelos.

Estado en que se encuentran las sales en el suelo Las sales en el suelo se encuentran: Asociadas: Formando compuestos. Disociadas: Como iones que son positivos y negativos: a los primeros se les conoce como cationes y a los segundos como aniones. La forma asociada de las sales se presenta por combinación: NaCl, CaCl2, MgCl2, Na 2 S0 4 , MgS0 4 , etcétera. En caso de estar presentes como iones, se pueden encontrar en tres diferentes disposiciones, formando el medio iónico ambiente (MIA). 29

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a) Iones solubles: En la solución de suelo. b) Iones hidratados: A presión en las arcillas o material orgánico muy fino. c) Iones intercambiables: Retenidos por carga eléctrica en las arcillas o material orgánico muy fino. Los iones más comunes son:

Los cationes más abundantes son: Na+, Ca++ y Mg++, encontrándose en menor cantidad K+. Los aniones más abundantes son los cloruros (Cl-) y sulfates (S04=), existiendo en menor cantidad los carbonatos (C03=). Los bicarbonatos y carbonatos se forman por solución de C0 2 - , del aire, en agua, la cual es de origen biológico o atmosférico. Ambos iones están interrelacionados y son una función del pH del suelo, por ejemplo: el ion carbonato se encuentra en cantidades considerables en pH 8.5 o más. Por esta razón, el agua que contiene C0 2 es un gran agente intemporizante que libera gran cantidad de elementos en forma de bicarbonatos. El boro es un elemento esencial para el desarrollo de las plantas, en pequeñas cantidades, pero a la vez es tóxico para una gran cantidad de cultivos.

Proceso de formación de suelos con altos contenidos de sales Los suelos de estas características tienen dos orígenes fundamentales: 1. Natural: Éstos, en su formación, pueden ser: a) In-situ: Son aquellos que se forman por descomposición de las rocas en el mismo lugar donde yacen. Aunque estas sean la principal fuente de sales solubles, la salinización casi nunca se presenta in-situ. 30

ORIGEN DE LAS SALES

b) En cuencas cerradas: A estos van las aguas de lluvias o arroyos que llevan las sales solubles en cantidades altas o bajas. Al evaporarse el agua, el contenido de estas sales es cada vez mayor, lo que da lugar a los suelos mencionados. Podemos encontrar algunos ejemplos de la formación de estos suelos en las regiones del lago de Texcoco y Chalco, en el Estado de México; La Laguna (que comprende a una porción de Coahuila y Durango) y Delicias, Chihuahua, entre otras. c) Marino: Del cual existen cuatro variantes: • Geológico. Se presenta cuando el material original está constituido por depósitos marinos que se asentaron para posteriormente emerger del mar. Ejemplo de este tipo vemos en: California (México), en Colorado y California (Estados Unidos). • Costero. Donde las aguas del mar con alto contenido de sales invaden las zonas bajas. Ejemplo: tenemos toda la zona de marismas de la planicie costanera del noroeste. • Por fenómenos meteorológicos. Tal es el caso del acarreo de agua de mar a través de vientos. Este fenómeno es conocido como brisas, pero también se presenta con los ciclones y vientos huracanados. • Por intrusión. Por el avance de las aguas del mar a través de las capas del subsuelo. 2. Inducida: El origen de estas sales obedece al inadecuado manejo que el hombre hace del suelo y del agua en los suelos agrícolas bajo riego. Incuestionablemente, la fuente más común para transportar las sales son las aguas, tanto superficiales como subterráneas, y la concentración dependerá de las existentes en el suelo y en los materiales geológicos que han estado en contacto con ellas. En general, los suelos con altas concentraciones de sales, tanto natural como inducida, se encuentran principalmente en las zonas de clima árido y semiárido, donde la baja precipitación pluvial no alcanza a efectuar la lixiviación; las sales solubles no pueden ser transportadas muy abajo, por la baja precipitación pluvial y la alta evaporación. En regiones de clima húmedo, las sales solubles originales, formadas por la intemporización de los minerales, son llevadas por las aguas a las capas inferiores del suelo, donde alcanzan el agua para ser finalmente transportadas a los océanos. Solamente se presentan en los suelos de regiones húmedas cuando son de origen marino y el drenaje es deficiente.

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Proceso de salinización La acumulación de sales en la zona radicular puede ser aportada por las aguas de riego o provenir de las aguas freáticas. Las sales se presentan donde las filtraciones de canales, presas, ríos y aguas de sobre-riegos tienden a elevar el nivel freático, acercándolo a la superficie; condiciones que aumentan la evaporación del agua freática, favoreciendo la capilaridad y su transporte a la superficie, acumulándolas en las primeras capas del suelo (zona radicular). En ocasiones, la deficiencia natural del drenaje interno es la causa principal de la salinización, máxime cuando está aunada a un manejo deficiente de riego. En resumen, todo proceso de salinización estará sujeto a la acumulación continua y constante de sales, y/o a que se sobrepase la capacidad natural del drenaje de los suelos, favoreciendo un desplazamiento de masas salinas en condiciones naturales o propiciadas por el hombre.

Factores que favorecen el proceso de salinización El proceso de salinización de un suelo está condicionado por: a) Aguas de mala calidad. El uso de aguas salinas apresura el proceso de sales disueltas, máxime cuando los riegos se aplican sin las correspondientes láminas de riego, de sobre-riego o excedentes, las cuales sirven para arrastrar, a través del perfil, las sales fuera del área donde se desarrolla el sistema radicular. b) Mal drenaje. Si la permeabilidad es baja, por causa de las arcillas finas y/o capas cementadas con carbonates de calcio o sílice, facilita la formación de mantos freáticos elevados. c) Aguas freáticas superficiales. Cuando estas aguas son estáticas y con altos contenidos salinos, se favorece el proceso de salinización con el ascenso capilar de las sales. Este proceso es más rápido en zonas de climas áridos, donde la evaporación es intensa y las precipitaciones bajas. d) El clima. La alta evaporación y las bajas precipitaciones evitan el lavado natural de las sales. e) Topografía. Las topografías accidentales y la evaporación geológica y edafológica facilitan la formación de acuíferos y represamientos superficiales, los cuales incrementan el proceso de salinización. 32

3 Composición química de los vegetales

l tener previo conocimiento de la importancia que representan los elementos en la composición de las plantas, la función de los nutrimentos en las plantas, asimismo, la composición y desarrollo de la pared celular, y la importancia del agua al desempeñar una función vital como vehículo de las sales, sin duda alguna nos facilitará entender físico-químicamente, cómo es que las sales son absorbidas y trasladadas a otros órganos de la planta, y el papel fisiológico de las plantas halotolerantes (temas que son abordados posteriormente). Lo anterior, ya que los vegetales son extremadamente complejos y dinámicos, en los que cualquier función interactúa con todas las demás. Dicho de otra manera, las plantas son sistemas mulidimensionales, pero dado que los libros de texto son solo unidimensionales —del comienzo al final—, su organización es, en cierto grado, artificial. Trataremos de integrar las diversas partes del libro haciendo referencia a lo que se ha visto y a lo que está por estudiarse, ya que ello constituirá un cuadro multidimensional en la mente del lector.

Composición de las plantas La composición elemental de la materia viva en las células vegetales presentan las mismas categorías moleculares que otras células (bacterias, animales, hongos, microplasmas, nematodos). Este hecho muestra la unidad profunda de la biósfera, formada por seres genéticamente emparentados, derivados unos de otros a lo largo de la evolución. Esta unidad se manifiesta aún más por la identidad de las estructuras generales de todas las células, la existencia de los mismos mecanismos de transformación de la energía, de las mismas vías principales del metabolismo intermediario en todos los seres vivos. 33

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Las plantas se caracterizan por dos particularidades bioquímicas: 1) La célula vegetal está rodeada de una pared rígida, de naturaleza celulósica (o quitinosa en los hongos), y constituye un verdadero esqueleto pericelular. Estas paredes introducen una gran cantidad los glúcidos en la composición química de los vegetales, y este rasgo diferencia a las plantas del resto de la biósfera. 2) La célula vegetal está dotada de un poder de biosíntesis muy desarrollado, las posibilidades de sobrevivir en autotrofia completa, es decir, en un medio puramente mineral, sin el menor intercambio con cualquier otro ser viviente, están más extendidas en el reino vegetal que en el reino animal. Una planta superior podrá utilizar el carbono, el nitrógeno, el agua, el azufre, el fósforo del medio para integrarlos en las más variadas moléculas orgánicas. La energía precisa para toda esta biosíntesis será tomada directamente a partir de la radiación solar; este es un caso perfecto de autotrofia total. Esta situación no ha sido jamás encontrada en el reino animal, el cual se presenta, pues, globalmente, como un conjunto parásito de los vegetales.

Constitución elemental de los vegetales Los vegetales toman del medio (de manera selectiva) los materiales necesarios para la edificación de su propia sustancia. Como una primera aproximación, las plantas absorben con preferencia los elementos más ligeros: hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno. Sin embargo, un muy pequeño porcentaje de otros elementos está presente en sus tejidos, los cuales conforman a los órganos. En la materia vegetal hay gran porcentaje de agua, y la solubilidad de un elemento en la misma es un factor que favorece normalmente su inserción en la materia orgánica. La tabla 1 presenta una comparación entre la composición elemental de una planta de trigo, una semilla de lolium temulentum y el medio terrestre en que se desarrollan las plantas. Se puede observar que los elementos más ligeros (H, C, N, O) constituyen en conjunto más de 96% del peso de la materia viva; el silicio, siendo un abundante elemento en la superficie terrestre, está prácticamente ausente en la materia vegetal. Los restantes elementos presentes en las plantas provienen de óxidos o sales que se disuelven fácilmente en agua. La tabla 2 presenta las principales categorías moleculares encontradas en la materia vegetal. Se observa inmediatamente el predominio del agua: esta sustancia representa normalmente más de 80% del peso de la materia vegetal. Las relaciones de 34

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS VEGETALES

la planta con el agua son tan importantes que constituyen un capítulo especial en la fisiología vegetal (capítulo del agua). Si consideramos el agua como un medio de imbibición general, se puede considerar a esta como externa a la materia vegetal. Bajo esta óptica, es interesante expresar la abundancia relativa de los diversos elementos respecto al peso de la materia vegetal seca; es decir, sin tener en cuenta el agua. En la tabla 3 se presenta un ejemplo para una planta de trigo, en la cual se muestran claramente que los elementos constitutivos de los vegetales se pueden agrupar en dos clases o grupos: los macronutrimentos y los micronutrimentos. Una diferencia entre ambos grupos (macro y micro) es que el primero presenta un alto umbral de toxicidad —es decir pueden ser absorbidos en grandes cantidades sin efectos negativos—, mientras que en el segundo grupo es muy bajo el nivel de absorción. Otra diferencia es que los primeros se presentan por arriba de 1 gr kg"1 de peso de materia seca, mientras que los segundos por debajo de 0.1 gr kg"1 de materia seca. Considerando lo anteriormente expuesto, se pueden distinguir dos subgrupos: 1) Los elementos característicos de las sustancias orgánicas: C, H, O, N. Estos cuatro elementos, tomados esencialmente del agua y la atmósfera terrestre, intervienen siempre en la composición de las macromoléculas que constituyen las estructuras celulares. La vida exige la alimentación constante de los seres, con carbono, agua y nitrógeno. El estudio de la nutrición carbonada o nitrogenada de los vegetales constituye la parte más importante de la fisiología vegetal. 2) Cinco elementos (S, P, K, Ca, Mg) figuran constantemente en la composición elemental de los vegetales, a dosis aún importantes. Estos elementos, principalmente S y P, intervienen a menudo en la propia composición de las macromoléculas constitutivas de la materia viva (el S abunda en las proteínas, el P en los ácidos nucleicos o en los fosfolípidos). El K, Ca y Mg se hallan frecuentemente unidos, en forma iónica, a los edificios macromoleculares para estabilizar las estructuras. Estos elementos son relativamente abundantes en la corteza terrestre, y los aspectos principales de la nutrición mineral de las plantas se refieren a la alimentación de los vegetales con estos constituyentes. Los elementos N, P, además de K, son elementos considerados también macronutrientes primarios. El Ca, Mg y S, son considerados macronutrientes secundarios.

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Tabla 1. Comparación entre la composición elemental de una planta de trigo, una semilla de lolium y medio mineral terrestre en que se desarrollan las plantas Elemento Hidrógeno Carbono Nitrógeno Oxígeno Flúor Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Potasio Calcio Manganeso Hierro

Número atómico

Litósfera, Atmósfera, % en peso de muestra fresca semilla de Hidrósfera (%) Planta de trigo Lolium temulentum

1 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 19 20 25 26

0.95 0.18 0.03 50.02 0.10 2.36 2.08 7.30 25.80 0.15 0.11 0.20 2.28 3.22 0.08 4.18

8.5 24.2 0.8 64.0 0.5 0.5 0.10 0.06 0.65 0.11 0.09 0.08 0.51 0.13 0.02 0.04

7.0 38.9 1.1 50.7 0.5 0.5 0.13 0.32 0.20 0.002 0.003 0.55 0.10 0.25

Tabla 2. Análisis bromatológico de Fuligo septica

Agua Materia fresca Sustancias solubles en agua Aminoácidos, aminas, amidas, péptidos Glúcidos (osas...) Sustancias insolubles en agua Nucleoproteínas Ácidos nucleicos Holoproteínas Lipoproteínas Lípidos Sales minerales Otros

% en peso de materia fresca % en peso de materia seca 82.6 17.4 40.7 26.5 14.2 59.3 33.3 2.5 2.7 4.8 11.3 2.2 3.5 36

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Tabla 3. Composición elemental de una planta de trigo

Junto a los macroelementos previamente citados figuran siempre, en los análisis elementales de materia vegetal, los micronutrimentos. Si bien presentes a menudo en cantidades infinitesimales, las cuales varían de una especie a otra, estos elementos desempeñan un gran papel fisiológico, pues son auxiliares indispensables de la actividad de ciertas enzimas, formando parte de grupos prostéticos o sirviendo directamente de cofactores de catálisis. La falta de cualquiera de los micronutrimentos en la planta provoca deficiencias. Algunos de los nutrientes que son considerados esenciales conforman parte de biomoléculas donde ese elemento no puede ser sustituido por otro, además de afectar metabólicamente durante todo el ciclo de vida de la planta y no poder perpetuar su especie. Asimismo, estos nutrientes son absorbidos del agua y la atmósfera terrestre. Todos los demás elementos son absorbidos por la raíz a través de la solución del suelo. Ya sea a través de la solución del suelo, por el transporte de flujo de masas de agua hacia la raíz, o por que las raíces se dirigen hacia ellos (intercepción radical), la planta toma los nutrientes para sus diversas actividades fisiológicas. Para ello, analizaremos la pared celular (primaria y secundaria), previamente la composición de una célula vegetal, y, posteriormente, la importancia del agua como acarreador de los macro y micronutrientes. El término de elemento mineral esencial fue propuesto por Arnon y Stout en 1939, debido a que la composición química de las plantas que se desarrollan en diferentes 37

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suelos no puede ser utilizadas como criterio para señalar qué es esencial; para que un elemento sea considerado como esencial, se deben de tomar en cuenta los siguientes criterios: • Una planta debe de ser incapaz de completar su ciclo de vida en ausencia del elemento mineral. • La función del elemento no debe de ser reemplazada por otro elemento mineral. • El elemento debe de estar envuelto directamente en el metabolismo de la planta. De acuerdo con los anteriores criterios, aquellos elementos minerales que se compensan por los efectos tóxicos de otros elementos, o los que simplemente reemplazan los nutrimentos minerales en algunas funciones específicas, tales como la manutención de la presión osmótica, estos no son esenciales, pero pueden denominarse elementos benéficos (Na, Si, Co, Ni, Si, Al, V). Dado el gran número de elementos que se encuentran en las plantas, así como la diversidad de los objetivos perseguidos, la clasificación de estos puede hacerse en forma aproximada, de acuerdo con sus requerimientos por la planta (tabla 4); en la tabla 5 se muestra la forma de absorción de los nutrimentos esenciales. Tabla 4. Clasificación de los elementos minerales de acuerdo con su requerimiento por la planta Clasificación Elementos indispensables

Requerimiento por la planta Aquellos elementos de importancia vital para la nutrición de la planta y que reúnen los criterios de esencialidad.

Elementos útiles

Aquellos elementos que en forma directa o indirecta benefician la nutrición de las plantas, sin ser indispensables en la nutrición mineral (Si, Co).

Elementos prescindibles

Aquellos elementos que son absorbidos por la planta, pero no realizan funciones fisiológicamente específicas ni benefician directa o indirectamente el crecimiento de las plantas.

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Tabla 5. Elementos esenciales o nutrimentos para el crecimiento de las plantas

Funciones de los nutrimentos en las plantas Los elementos nutritivos realizan funciones específicas en la vida de las plantas, las cuales pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: Estructural: El elemento forma parte de la molécula de uno o más compuestos orgánicos, por ejemplo: N, aminoácidos y proteínas; Ca, pectatos (sal de ácido poligalacturónico) de la lámina media de la pared celular; Mg, ocupa el centro del núcleo tetrapirrólico de las clorofilas. Como constituyente de enzimas: Se refiere a elementos, generalmente metales o elementos de transición (Mo, Cu, Fe, Mn, Zn y Ni), que forman parte del grupo prostético de enzimas y que son esenciales en las actividades de las mismas.

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Funciones que puede desempeñar un elemento nutritivo Nitrógeno

(N)

Forma de absorción. Este nutrimento puede ser absorbido por las plantas en forma de ion N0 3 - o NH4+; el N2 atmosférico también es aprovechado mediante reducción microbiana. Las plantas también pueden absorber N en forma orgánica (urea y aminoácidos), tanto por las raíces como por parte aérea. El sistema radicular de las plantas absorbe el N en forma de NO3- o NH4+. El primero puede ser reducido en la misma raíz o transportado vía xilema, y posteriormente ser reducido en las hojas de la planta. En cambio, el NH4+ es inmediatamente transformado a glutamina en la propia raíz y transportado a la parte superior de la planta. Los N03- absorbidos son reducidos a N02- por la enzima nitrato reductasa, y este a su vez es reducido a NH4+ por la nitrito reductasa. Funciones fisiológicas. El nitrógeno (N) es uno de los elementos más abundantes en las plantas, después del carbono, hidrógeno, oxígeno y potasio. El N dentro de la planta se encuentra en forma orgánica e inorgánica; el N forma parte de los aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, enzimas clorofila y alcaloides. Aunque el N inorgánico se puede acumular en forma de nitrato, el N orgánico predomina por el mayor peso molecular de las proteínas vegetales. Alrededor de 80% del N que absorbe la planta se utiliza para la formación de proteínas, 10% en ácidos nucleicos, 5% forma aminoácidos solubles, y el resto otros compuestos.

Concentración foliar El N constituye 1.5-6.0% de la materia seca de muchos cultivos y puede variar dependiendo de la especie, edad de la planta (disminución del N en hojas conforme envejece el cultivo) y también dependiendo de la parte de la planta (cuadro 1).

Sintomatología de deficiencia Cuando existe una deficiencia de N, se detiene o disminuye el crecimiento de los órganos de la planta, llevándose a cabo una proteólisis, con la finalidad de movilizar el N, originando la muerte de algunos órganos y tejidos. Una coloración verde pálida se encuentra asociada con la deficiencia de este elemento y aparece en primer lugar en 40

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las hojas inferiores y se va moviendo hacia las superiores. En deficiencia extrema de N, todas las hojas se tornan amarillas, llegando a producirse coloraciones púrpuras en los tejidos y venas de la hoja (fotografía 1). Fotografía 1. Deficiencia de nitrógeno en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

Fósforo (P) Forma de Absorción. El P es absorbido por las plantas en forma iónica como H2P04-, excepcionalmente puede ser tomado en forma de HP042-. Funciones fisiológicas. El papel fundamental del P es ser un componente de ciertas enzimas y proteínas: adenosina trifosfato (ATP), ácido ribonucleico (ARN), ácido desoxirribonucleico (ADN). El ATP participa en varias reacciones de trasferencia de energía; el ARN y el ADN son componentes de la información genética. También, el P forma parte del ácido fítico, principal forma de P en las semillas. Concentración foliar. Varía de una especie a otra, pero en hortalizas oscila entre 0.25 y 0.90% de la materia fresca. Los valores críticos de P normalmente son menores de 0.20 y mayores de 1% (deficiencia y toxicidad). Sintomatología de deficiencia. Debido al alto requerimiento de P en las hojas, bajo condiciones de deficiencia la planta tiene que movilizarlo de otras partes de la misma, especialmente de las hojas más viejas, en donde se manifestarán los primeros síntomas. 41

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En medida de la deficiencia, las hojas superiores muestran decoloraciones irregulares, color marrón negruzco, o una coloración purpúrea en el envés de la hoja, debido a la formación de pigmentos antociánicos. El crecimiento de la planta disminuye drásticamente y la coloración en las hojas se oscurece (fotografía 2). Fotografía 2. Deficiencia de fósforo en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

Potasio

(K)

Forma de absorción. El potasio es absorbido en forma de K+. Funciones fisiológicas. El K es un activador en gran cantidad de procesos que lo hacen necesario en grandes cantidades, como la conservación del estado del agua de la planta y de la presión de turgencia de las células, así como la apertura y cierre estomático. El K promueve la acumulación y la rápida translación de los carbohidratos recientemente elaborados. 42

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Concentración foliar. El K constituye 1.5 a 3% de la materia seca del tejido. El contenido de K es considerado deficiente o excesivo cuando el nivel de K es menor de 1.5 o mayor de 3.0% respectivamente; sin embargo, el nivel óptimo de este nutrimento puede ser mayor a 8.0% en el tejido de los tallos de algunas legumbres. Sintomatología de deficiencia. En casos de deficiencia, el K es trasladado hacia los meristemos, mostrándose los síntomas en las hojas inferiores. Los bordes de las hojas mostrarán un amarillamiento y una posterior desecación conforme avanza la deficiencia. Esta desecación en los bordes seguirá avanzando hacia el interior de la lámina foliar, y de las hojas basales a las superiores; inclusive, se puede dar una desfoliación prematura de las hojas viejas (fotografía 3). Fotografía 3. Deficiencia de potasio en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

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Calcio (Ca) Forma de absorción. Se absorbe en forma de ion Ca2+ Funciones fisiológicas. Participa en las plantas como componente estructural de paredes y membranas celulares, y como cofactor de varias enzimas. Constituye los pectatos cálcicos, como parte de la estructura celular, contribuyendo a la rigidez de la pared celular. Concentración foliar. Se encuentra entre 0.2 y 3.0% con base en materia seca. En algunas ocasiones, concentraciones excesivamente altas pudieran deberse a que el Ca se encuentra en forma de cristales —como oxalate de calcio—, los cuales no son aprovechados por la planta. Sintomatología de deficiencia. El contenido de Ca aumenta con la edad de la planta, acumulándose de manera irreversible en los tejidos viejos. Dicha inmovilidad hace que la deficiencia se desarrolle en los órganos jóvenes, limitando su crecimiento. Como sintomatología se presenta una necrosis en los tejidos. La deficiencia de calcio puede también originar fisiopatías típicas, como el blossom-end (fotografía 4). Fotografía 4. Deficiencia de calcio en tomate

Fotografía: Pablo Rangel Preciado. 44

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Magnesio (Mg) Forma de absorción. Se absorbe activamente en forma de Mg2+. Funciones fisiológicas. Al igual que el Ca, el Mg puede encontrarse en las plantas como elemento estructural (forma parte de la molécula de clorofila) o como cofactor enzimático que actúa sobre sustratos fosforilados, por lo que tiene gran importancia en el metabolismo energético. Concentración foliar. La concentración foliar varía entre 0.15 y 1.0% con base en materia seca. Los niveles críticos de Mg pueden variar entre los distintos cultivos, siendo estos menores en los cereales y mayores en las leguminosas y algunas hortalizas. Sintomatología de deficiencia. La deficiencia se muestra primero en las hojas viejas y se manifiesta por una decoloración amarillenta internervial, la cual se mueve hacia el borde de la lámina, y de las hojas inferiores a las superiores. La diferencia con la deficiencia de K es que esta última se mueve a la inversa, desde el borde de la hoja hacia el interior (fotografía 5). Fotografía 5. Deficiencia de magnesio en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

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Azufre (S) Forma de absorción. El S es absorbido como S042-, pero debe ser reducido antes de ser incorporado a componentes orgánicos. La absorción de S0 4 2- por la raíz es un proceso activo mediante el cotransporte H7S0 4 2 . La reducción del S042-, al igual que la del N0 3 - , en la raíz es muy pequeña, y casi todo es trasportado vía xilema a las hojas, donde es reducido. El S atmosférico puede ser absorbido directamente por los estomas de las hojas. Funciones fisiológicas. La función más importante del S se relaciona con su participación en la síntesis de las proteínas, formando parte de los aminoácidos cisteina, cistina, tiamina y metionina. El azufre también forma parte de compuestos como la coenzima A, vitamina Bl y algunos glucósidos, los cuales dan el olor y sabor característicos a algunas plantas, como las cruciferas y liliáceas. Concentración foliar. El contenido de S se encuentra entre 0.15 y 0.50% con base en materia seca. Las cruciferas acumulan hasta tres veces más S que P, y en las leguminosas se encuentra en concentraciones similares. Sintomatología de deficiencia. Los síntomas de deficiencias son muy parecidos a los del nitrógeno. La planta muestra una decoloración general, pero, a diferencia de la deficiencia de N, los síntomas aparecen primero en las hojas jóvenes debido a la inmovilidad de este elemento (fotografía 6). Fotografía 6. Deficiencia de azufre en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

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Cloro (Cl) Forma de absorción. Se absorbe activamente como Cl". Funciones fisiológicas. Es un micronutrimento esencial para las plantas y su función se le relaciona con la evolución del oxígeno en el proceso de fotosíntesis, especialmente unida al fotosistema II en los cloroplastos; se ha observado que los cloroplastos se deterioran rápidamente con la luz en ausencia de Cl". Este nutrimento aumenta la presión osmótica celular y participa en la regulación del nivel de turgencia de la planta a través de la regulación de la apertura y cierre de estomas. Concentración foliar. El contenido de cloro en el tejido foliar varía desde 20 mg -1 kg . Una deficiencia de Cl- en el trigo ocurre cuando los niveles de este elemento son menores de 0.15 por ciento. Sintomatología de deficiencia. Los signos de deficiencia en las hojas muestran una decoloración en el borde, seguida de un marchitamiento en las hojas viejas (fotografía 7). Fotografía 7. Deficiencia de cloro en trigo

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

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Hierro

(Fe)

Forma de absorción. Se absorbe activamente en forma Fe2+ o Fe3+. Funciones fisiológicas. El Fe presenta dos estados de oxidación (Fe2+y Fe3+) y es de gran importancia en los sistemas redox biológicos. El Fe puede funcionar como componente estructural y como cofactor enzimático. Forma parte estructural de: citocromo (paso final de la respiración), citocromo oxidasa (transporte de electrones), catalasa, peroxidasa y ferredoxina, y es requerido para la reducción de nitrato y sulfato, asimilación del N atmosférico y producción de energía (NADP); también se encuentra asociado con la síntesis de la clorofila. Concentración foliar. Los valores de Fe en la planta varían de 10 mg kg-1 con base en materia seca, y como valores óptimos de 50 a 75 mg kg-1 aunque el contenido total de Fe, en ocasiones, no es un criterio de suficiencia. La mayor parte del Fe se encuentra en forma férrica (Fe3+) como fosfoproteína férrica, aunque la forma ferrosa (Fe2+) es la forma metabólicamente activa. Sintomatología de deficiencia. Las hojas jóvenes de la planta muestran primero los signos visibles de la clorosis férrica. Esto es debido a que el hierro es fundamentalmente trasladado desde la raíz a los meristemos de crecimiento. A pesar de la disminución de la concentración de clorofila, las hojas se desarrollan normalmente. Bajo deficiencias muy severas pueden llegar a aparecer manchas cloróticas en las hojas jóvenes. En estos casos, la división celular puede llegar a ser inhibida y el crecimiento de la hoja se detiene (fotografía 8).

Manganeso

(Mn)

Forma de absorción. La raíz de la planta lo absorbe como Mn2+. Funciones fisiológicas. Es importante en la fotosíntesis, especialmente por su participación en el fotosistema II donde se realiza la fotolisis del agua y se libera 02 para ceder los electrones al fotosistema II, participando como un puente entre el ATP y el complejo enzimático fosfoquinasa y fosfotrasferasa. Concentración foliar. La concentración de Mn en las hojas varía de 10 a 50 mg -1 kg con base en materia seca de hojas jóvenes. Sintomatología de deficiencia. Los síntomas de deficiencia pueden aparecer en hojas medias, debido a la preferencia del transporte del Mn (de la raíz a las hojas medias y no a las jóvenes). Los signos de la deficiencia se manifiestan por una clorosis internervial que puede llegar a necrosarse (fotografía 9). 48

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Fotografía 8. Deficiencia de hierro en frijol

Fotografía: Pablo Rangel Preciado. Fotografía 9. Deficiencia de manganeso en soya

Fotografía: Pablo Rangel Preciado. 49

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Cobre (Cu) Forma de absorción. La absorción de este elemento tiene lugar en forma de Cu2+. Funciones fisiológicas. Es un nutrimento con características similares a las del hierro por su importancia en procesos redox. Es un componente de la proteína del cloroplasto denominada plastocinina, la cual toma parte en el sistema de transporte de electrones en los fotosistemas I y II; también participa en el metabolismo de proteínas y carbohidratos, en la fijación del N atmosférico. Además, es un componente de las enzimas citocromo oxidasa, polifenol oxidasa y ácido ascórbico oxidasa), los cuales reducen el oxígeno molecular (02), catalizando procesos de oxidación. Concentración foliar. Las concentraciones óptimas oscilan entre 6 y 15 mg kg-1 con base en materia seca, aunque, en ocasiones, mayores concentraciones pueden ser soportadas por las plantas si este elemento es aplicado como fungicida. Sintomatología de deficiencia. El síntoma típico de deficiencia es una clorosis intervenal, seguida de una necrosis y un curvado de la hoja hacia el envés. Los síntomas se muestran primero en las hojas jóvenes, donde se expresa la escasa distribución del cobre en plantas deficientes (fotografía 10). Fotografía 10. Deficiencia de cobre en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

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Zinc (Zn) Formas de absorción. Se absorbe de forma activa como Zn2+. Funciones fisiológicas. Es fundamental en la síntesis de auxinas, especialmente en la ruta metabólica del triptófano que conduce a la formación del ácido indolacético. Entre las enzimas que requieren zinc para su actividad se encuentran la anhidrasa carbónica, alcohol deshidrogenasa, algunas piridin nucleótido deshidrogenasa, glucosa-fosfato deshidrogenasa y triosafosfato deshidrogenasa. Concentración foliar. La concentración de Zn en hojas completamente desarrolladas varía entre 15 y 50 mg kg-1 con base en materia seca. Sintomatología de deficiencia. Los signos característicos de esta deficiencia son el acortamiento entre los nudos y la restricción en el crecimiento de hojas (crecimiento de rosetas y hojas pequeñas en algunos cultivos). Promueve una decoloración internervial en la parte media de la planta, similar a la deficiencia de magnesio, y origina enanismo en la planta (fotografía 11). Fotografía 11. Deficiencia de zinc en maíz

Fotografía: Pablo Rangel Preciado.

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Boro (B) Formas de absorción. En forma de ácido bórico es absorbido activamente y transportado desde la raíz, vía xilema, por un proceso pasivo promovido por la transpiración de la planta. Funciones meíabólicas. La función más conocida del B es en el transporte de azúcares a través de la planta. También participa en la síntesis del ácido giberélico y en el metabolismo del ARN. El papel que desempeña el boro en la germinación del polen, y en la viabilidad de este, es de gran importancia. Concentración foliar. La concentración media oscila entre 30 y 40 mg kg-1 con base en materia seca. Sintomatología de deficiencia. Los síntomas de deficiencia se presentan en los ápices y en las hojas jóvenes. La planta sufre una detención del crecimiento. Los entrenudos se acortan, las hojas se deforman y el diámetro de los peciolos se incrementa (fotografía 12). Fotografía 12. Deficiencia de boro en caña de azúcar

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Molibdeno (Mo) Forma de absorción. Es absorbido en forma activa como anión molibdato (MoO 2-). Funciones fisiológicas. Su función en la planta parece estar relacionada con las reacciones de transferencia de electrones. El Mo es constituyente de las enzimas nitrato reductasa y nitrogenasa; la primera, indispensable en la reducción de los nitratos, y la segunda, en la fijación biológica de nitrógeno. Concentración foliar. Los contenidos de Mo en la planta usualmente son menores de 1 mg kg-1 con base en materia seca. Sintomaíología de deficiencia. Los síntomas de deficiencia se manifiestan por una falta de vigor y achaparramiento de la planta, y como una mancha amarilla en los cítricos (fotografía 13). Fotografía 13. Deficiencia de molibdeno en coliflor

4 La célula vegetal

a célula vegetal está constituida, de manera general, por un protoplasto o unidad viva, rodeada por una envoltura rígida o semirígida que le proporciona resistencia externa (pared celular). En el protoplasma se diferencia un simple ectoplasma (condensación de protoplasma) o una membrana lipoproteica selectivamente permeable, el núcleo y el citoplasma, el cual es de naturaleza coloidal y de contenido variable, con todos los organelos característicos de una célula, así como otros compuestos necesarios para la realización de sus funciones vitales. Dentro del citoplasma, además, típicamente se forman cavidades denominadas vacuolas, donde se depositan diversas sustancias; algunas de estas también se confinan en otras porciones de la célula, y en ocasiones fuera de ella. Componentes de una célula vegetal eucariota:

1. Pared celular. Pared primaria (aprox.¼ de celulosa), de 1-3 mm de espesor. Pared secundaria (aprox. ½ de celulosa = ¼ de lignina), puede tener 4 mm de espesor, o más. Lámina media: capa cementante entre las células; principalmente de pectina. Plasmodesmos: hilos de membrana plasmática que penetran la pared celular, con 30 a 100 nm de diámetro. Depresiones simples o con bordes. 2. Protoplasto: contenido de la célula, con excepción de la pared celular; 10 a 100 mm de diámetro. a) Citoplasma (citoplasma + núcleo = protoplasma). • Membrana plasmática. • Sistema endomembranal. 55

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Retículo endoplásmico; 7.5 nm de espesor cada membrana; cisterna con dos membranas de grosor variable). Aparato de Golgi. Consiste en dictiosomas. Diámetro de 0.5 mm de espesor. Envoltura nuclear (tonoplasto); 7.5 nm de espesor. Microcuerpos; 0.3 al.5 mm de diámetro. Esferosomas y cuerpos proteínicos; 0.5 a 2.0 mm de diámetro (rodeados por media membrana unitaria). • Citoesqueleto Microtúbulos; 24 a 25 nm de espesor; centro de 12 nm. Microfilamentos; 5 a 7 nm de espesor. Otros materiales proteináceos. • Ribosomas; 15 a 25 nm de diámetro. • Mitocondrias (con membrana delimitante); 0.5 a 1.0 mm por 1 a 4 mm. • Plástidos (organelos con membrana delimitante): protoplástidos (plastas inmaduros), leucoplastos (plásticos incoloros), amiloplastos, proteinplastos, coloroplastos y cromoplastos. • Citosol: líquido donde están suspendidos la mayoría de las estructuras mencionadas. b) Núcleo (citoplasma + núcleo = protoplasma); 5 a 15 mm —o más— de diámetro. Nucleoplasma: sustancia granular y fibrilar del núcleo. Cromatina: cromosomas hechos visibles durante la división celular. Nucleolo; 3 a 5 nm de diámetro. c) Vacuolas: de inexistentes a 95% del volumen celular; a veces más. d) Sustancias ergásticas. Cristales (oxalates de Ca). Taninos. Grasas y aceites (oleoplastos o glóbilos lipídícos). Granulos de almidón (cuerpos proteínicos). Las células vegetales presentan gran diversidad en su tamaño, forma, estructura y función, dependiendo del vegetal y del tejido del que forman parte. La célula vegetal está constituida por un protoplasma o unidad viva, rodeada de una envoltura llamada pared celular. La pared celular es una estructura más o menos rígida que envuelve a la célula vegetal, lo suficientemente dura para darle resistencia y forma, sin impedir su crecimiento ni su comunicación con otras células. Los conjuntos de paredes celulares dan la condición estructural de la planta como una unidad viva. La pared celular permite la comunicación intercelular porque no es totalmente continua, sino que presenta interrupciones que permiten que las células contiguas 56

LA CÉLULA VEGETAL

entren en contacto y establezcan conexiones de microfibrillas, por medio de lo cual los protoplasmas se relacionan, a lo que se denomina plasmodesmo. Cuando existe pared secundaria se presentan dos tipos de puntuaciones: simples y areoladas. Las puntuaciones simples consisten en una interrupción de la pared secundaria, la cual a veces se relaciona con un adelgazamiento o depresión de la pared primaria (campo de punteadura). En las puntuaciones areoladas, la pared secundaria, además de interrumpirse, se arquea y forma un reborde alrededor de la cavidad del poro; en ocasiones la pared primaria de este tipo de puntuación sufre un engrosamiento. Ciertas porciones de pared celular quedan libres hacia espacios intercelulares, donde se establece una relación directa con el medio ambiente no celular.

Composición química de la pared celular La composición de la pared puede variar dependiendo del tipo de célula, de la especie y del estado de desarrollo. La pared celular está hidratada y, en células en formación, puede contener hasta más de 90% de agua; esto se reduce durante la definición de su estructura, normalmente de 60-70% en células vivas, o aún menos hacia la senectud. La materia seca de las paredes celulares consiste, en su mayoría, de polisacáridos de alto peso molecular, —los más abundantes son pentosas y hexosas, principalmente glucosa, seguido de xilosa, arabinosa, ramnosa, galactosa, manosa, etc.—; estos se unen a las cadenas de celulosa y hemicelulosa para conformar un patrón básico, así como a otros componentes, como las pectinas y las proteínas, denotando así que la estructura es compleja. Otros componentes adicionales de la pared celular, varían en cantidad, de acuerdo con la especificidad funcional de la pared celular de la célula en cuestión. Así tenemos a la lignina, como importante depósito en células de xilema y esclerénquima; cera y cutina en células epidérmicas; suberina en peridermis; incrustaciones minerales, etcétera.

Composición

la pared primaria

En términos generales, se asume que la celulosa es el principal elemento de la pared celular y comprende alrededor de la mitad total de polisacáridos. Las hemicelulosas se presentan como un paquete de microfibrillas de 100 a 200 A° de diámetro, el cual sirve como esqueleto que soporta los constituyentes. Las hemicelulosas principalmente están en forma de complejos xilanos y abarcan más de 30% de la pared celular. El contenido de pectinas es mucho menor en proporción, se presenta como material 57

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de incrustación en la mayoría de las paredes primarias de plantas superiores. Las proteínas (extensina, lectinas) están presentes en pequeñas cantidades (generalmente menos de 10% del total de peso seco), recubriendo a la pared primaria, y muchas de ellas pueden estar enlazadas a carbohidratos. El contenido de lignina en la pared primaria generalmente es bajo y confinado a tejidos particulares, tales como elementos de xilema y floema, y parece ocurrir como un proceso importante únicamente después de que el crecimiento ha cesado. Generalmente, las paredes de células muy jóvenes son ricas en pectina y bajas en celulosa en comparación con las células de estadios tardíos de desarrollo, por lo cual es factible, en etapas tempranas, la movilidad de las microfibrillas. La región de la placa celular contiene poca o ninguna celulosa, y se impregna rápidamente por materiales ácido poliurónicos. Las pectinas se depositan entre las microfibrillas y, por su carácter hidrofílico, provocan el hinchamiento de la pared por incorporación de agua, lo que ocasiona que las microfibrillas queden muy separadas entre sí. Es así que la pared primaria de células en crecimiento suele tener alrededor de 90% de agua, o más. A medida que continúa el desarrollo, se incorpora más material en la pared para mantener su estructura. En este proceso, el contenido de celulosa tiende a incrementarse, mientras que la síntesis de pectina declina. El arreglo de las microfibrillas en la pared primaria es entremezclado (intersuscepción), pero posteriormente la celulosa nueva se adiciona a la pared por aposición en la superficie interior, tanto de pared primaria como secundaria. La orientación de las microfibrillas de celulosa en el crecimiento longitudinal de las paredes cambia después de que han sido depositadas. Aquellas más cercanas al plasmalema se depositan como un parrillado flojo y tienen una orientación más o menos transversal que las que están más profundas en la pared. A medida que crece la célula, se deposita más material en la superficie de esta red y la orientación de las viejas microfibrillas se hace longitudinal en respuesta al estrechamiento de la pared. Ocurre, además, un severo estiramiento en dirección al crecimiento (orientación de las microfibrillas de la posición transversal a la dirección del crecimiento).

Composición de la pared secundaria Generalmente, la pared celular secundaria se deposita entre la membrana plasmática y la pared celular primaria, y su composición química varía de acuerdo con la especialización celular. El engrasamiento de esta pared se debe al depósito de celulosa, hemicelulosa y pequeñas cantidades de matriz polisacárida. A su vez, cesa la incorporación de arabinogalactano y ramogalacturano. Asimismo, el porcentaje de celulosa 58

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se incrementa. La incorporación de hemicelulosa es variable en composición y cantidad, a.g. en gramíneas es de tipo xilan-ácido y en gimnospermas existe una gran cantidad de glucamananos. La concentración de pectinas permanece constante de pectinas altamente hidratadas por otros compuestos y da como resultado que la pared secundaria sea considerablemente más densa y menos hidratada que la pared primaria. El incremento más notable en la pared secundaria es de lignina: la lignificación parece extenderse en las capas de la pared a partir de la región primaria, donde es mayor su concentración y cementa la estructura total como un complejo rígido. Sustancias como lignina, cutina, suberina, aparentemente se presentan como incrustaciones inextensibles alrededor de las microfibrillas. Otros componentes adicionales son los taninos, aceites esenciales, gomas, sales minerales, etc., los cuales varían en proporción en los distintos tejidos y especies. Así, por ejemplo, el sílice se encuentra en alta cantidad en la pared celular de las diatomeas, equisetos y gramíneas; la cutina y ceras se depositan en la superficie exterior de células epidérmicas. La pared secundaria está generalmente constituida por una serie de capas que se depositan hacia la superficie interior de ella. Ocasionalmente, esta puede estar engrosada y ocupar la mayor parte del lumen de la célula. El contenido protoplásmico frecuentemente desaparece cuando engruesa la pared y la célula es impermeable al agua y otros nutrientes. El arreglo de la pared secundaria generalmente es complejo, pero en plantas leñosas puede tener tres capas denominadas como S1, S2 y S3 (figura 1). Estas, frecuentemente, pueden distinguirse por la particular orientación de las microfibrillas de celulosa. El cambio estructural de pared primaria a secundaria no es súbito, sino que está definido por una lámina transicional con microfibrillas menos esparcidas. Hacia el interior de la pared se forman sucesivas láminas de pared secundaria, unidas cada una por capas de pectina que le dan cohesión; en cada lámina de esta pared, las microfibrillas tienen una misma orientación (paralelamente entre sí). En S1, la disposición microtibrilar es casi horizontal, transversal al eje de crecimiento. Entre una capa y otra hay un cambio en la dirección microfibrilar de 120 grados.

Celulosa La celulosa es el constituyente más importante de la pared celular. La celulosa (figura 2) de la pared primaria es de más bajo peso molecular que la de la secundaria. La estructura lineal de la molécula de celulosa permite que los grupos hidroxilos queden libres en los carbonos 2, 3 y 6, de los cuales forman puentes de hidrógeno con estructuras afines, agregándose alrededor de 100 cadenas para formar una fibrilla elemental. Aproximadamente 20 fibrillas elementales se suman para formar 59

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una microfibrilla (figura 3), las cuales son capaces de mantenerse unidas por la gran cantidad de puentes de hidrógeno. Individualmente estas serían muy débiles; sin embargo, en conjunto tienen una gran cohesión. El diámetro de las microfibrillas—en promedio— es de 100-200 A; las moléculas de celulosa están ordenadas en un patrón cristalino llamado micela (10.3 A), y al intercalarse con estas se presentan regiones donde la celulosa se encuentra paracristalina. La estructura se mantiene mediante puentes de hidrógeno. En las microfibrillas no hay agua debido a que los puentes que se forman son muy fuertes. Figura 1. Capas de la pared celular denominadas S1, S2 y S3

Imagen tomada de: http://www.biologia.edu.ar/botanica/image7-9/t7-f6bis.png

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Figura 2. Molécula de almidón y celulosa (a) y glucosa (b) (a)

(b)

Imagen tomada de: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/122/img/7 http://omega.ilce.edu. mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/093/imgs/g016-01. gif http://omega.ilce. edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/122/htm/sec_5. htm http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/093/html/sec_5.html

Figura 3. Microfibrillas como componentes de la membrana plasmática

Imagen tomada de: http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/celula/ imagenes/microfibrilla.gif 61

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La celulosa, como un componente principal de las paredes (figura 2a), se puede reconocer porque es resistente a los ácidos diluidos, pero puede ser disuelta con ácido fosfórico o altas concentraciones de ácido sulfúrico; además, es insoluble en agua y álcali. Generalmente, más de 90% de celulosa está formada de glucosa y el resto corresponde a otros azúcares. La molécula de glucosa (figura 2b) en solución presenta la forma de cadena abierta, o anillo alfa o beta, interconvirtiéndose continuamente. Los monosacáridos se enlazan entre sí a través de uniones glicosídicas (enlace covalente en el que un átomo de oxígeno conecta dos unidades de azúcar). Dos moléculas de glucosa unidas por enlace alfa forman el disacárido maltosa, muchas moléculas semejantes enlazadas forman el almidón. Un enlace beta, en la misma posición, entre dos moléculas de glucosa, produce el disacárido celobiosa, y al conectarse, como una larga cadena, forman el polisacárido llamado celulosa (1 400-3 000 unidades de glucosa). El almidón es denominado como alfa (1,4) glucano, y la celulosa como beta (1,4) glucano. Cuando se agregan paralelamente muchas microfibrillas (alrededor de 400), forman una macrofibrilla visible al microscopio de luz. Las microfibrillas están separadas 50-100 mm (al menos 2-4 veces el total de su diámetro) y el espacio entre ellas permanece hidratado y con incrustaciones de materiales de diferentes clases, lo cual forma una matriz amorfa. La mayor parte de los polisacáridos de la matriz son moléculas pequeñas, de alrededor de 10 unidades de azúcar, con diferentes tipos de enlace glicosídico; por ejemplo, el xiloglucano, arabinogalactano, ramnogalacturano, etc., unidos a la celulosa por puentes de hidrógeno. Otros componentes importantes son las hemicelulosas, pectinas, proteínas, lignina, taninos, suberina, cutina, etcétera. La celulosa se sintetiza en la superficie externa de la membrana plasmática. Es posible que los nucleótidos de azúcares guanina difosfato-glucosa (GDP-glucosa) y uridina difosfato-glucosa (UDP-glucosa —sustrato-sacarosa—), los cuales se forman en el citoplasma, se sitúen en la periferia de la celulosa, cerca de la membrana donde se localiza la enzima celulasa-sintetaza, con la cual se forman las moléculas de celulosa por extensión (esta enzima puede moverse y permite el alargamiento de la molécula). El punto de interconexión con otros azúcares involucra a la proteína extensina.

Hemicelulosa Las hemicelulosas son sustancias alcalinas solubles que se pueden extraer empleando soluciones de hidróxido de sodio o potasio. Se consideran un grupo complejo de polisacáridos no celulósicos, los cuales forman agregados moleculares micelares 62

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semejantes a los de la celulosa, pero que se distinguen por la ausencia de CH2OH de los grupos laterales. Bioquímicamente no representa un grupo homogéneo, sin embargo, dos de los tipos estructurales más importantes se basan en una cadena central de xilanos y glucamanos. Otros azúcares pueden estar enlazados a la cadena principal en unidades o complejas ramas. Los xilanos son comunes en plantas vasculares y abundantes en angiospermas. Los glucamanos ocurren extensamente en coniferas. Otras hemicelulosas incluyen polisacáridos ricos en glucosa, mientras que algunas más contienen una variedad de componentes de azúcares (la mayoría de estos no han sido definidos).

Pectinas Las pectinas comprenden el grupo de polisacáridos (no celulósicos) más soluble. Generalmente, contienen L-arabinosa, D-galactosa y ácido D-galacturónico (figura 4) como principales monosacáridos, aunque pueden estar presentes también otros azúcares, como ramnosa, fucosa, glucosa y xilosa. Tradicionalmente se ha sugerido que concurren juntos galactanos (poligalactosa), arabinosa y poligalacturanos, como tríadas pécticas. Frecuentemente se ha denominado a un polímero que comprende enteramente residuos de ácido galacturónico con enlaces alfa (1,4). Estas sustancias son los componentes característicos más importantes de las pectinas. Las pectinas se distinguen de la celulosa porque algunos o todos los carboxilos del ácido urónico están metilesterificados, o se encuentran ramificadas por cadenas laterales de azúcares, —principalmente de arabinosa y galactosa—, por lo que las sustancias pécticas comprenden un grupo complejo en su composición de polisacáridos. Las pectinas tienen alta capacidad hidrofílica y pueden unirse con cationes de Ca y Mg de la pared celular, formándose, así, enlaces entre grupos carboxilos y cadenas de polisacáridos adyacentes, con lo cual se estructura una masa molecular compleja, la cual se caracteriza como un gel semirígido. Son particularmente abundantes en la lámina media, donde actúan como cementantes. La biosíntesis de las pectinas se ubica en el Aparato de Golgi.

Proteínas Las paredes de células jóvenes, invariablemente contienen poca cantidad de material glicoproteico, (esqueleto polisacárido, con una pequeña cadena lateral peptídica, rica en hidroxiprolina y serina, principalmente). Las enzimas involucradas en la síntesis de polisacáridos no parecen estar asociadas con la pared. Entre ellas puede citarse: 63

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pectin-metilesterasa, ácido ascórbico-oxidasa, ácido-fosfatasa, invertasa, peroxidasa, RNA-asa, DNA-asa, ATP-asa, ureasa, pirofosfatasa, celobiasa, celulasa, auxino-oxidasa. La actividad enzimática no está combinada a la pared, pero ocurre en una cantidad significativa. Pueden ser proteínas estructurales y formar una parte integral de la pared, y, en este caso, su actividad enzimática puede que sea incidental. Alternativamente, son útiles en la prevención de infecciones o también meramente oclusivas en la pared, durante la depositación. Figura 4. Grupo de polisacáridos (no celulósicos) como componentes principales de las pectinas

Imagen tomada de: http://www.unilim.fr/theses/2003/sciences/20031imo0020/images/ image026.gif

Lignina La lignina está en estrecha asociación con la celulosa o algunos otros carbohidratos (figura 5), aunque esto generalmente es solo una unión física con algunos enlaces covalentes; no obstante, es difícil su separación. La lignina es un polímero altamente 64

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insoluble, de unidades fenólicas aromáticas que forman una inmensa red de puentes cruzados, a la cual constituye fundamentalmente. La molécula de lignina está formada de numerosas unidades de fenilpropano, enlazadas a una compleja molécula de estructura desconocida. Los enlaces son variables y, aproximadamente, 100 unidades pueden ser acomodadas en una sola molécula. La ausencia de un tipo específico de enlace entre las unidades hace difícil su estudio. La lignificación aparentemente, cumple dos funciones principales: es cementante y mantiene juntas las fibras de celulosa, y por la dureza que da a la pared previene a la célula de daños físicos y químicos. Figura 5. Moléculas de lignina en asociación con microfibrillas de celulosa

Imagen tomada de: http://www.kennislink.nl/upload/88320_962_103062571 4492-celwand5-klein.jpg

Otros componentes Otros compuestos adicionales se presentan en la pared celular, de acuerdo con la especializaron de cada célula. Entre ellos se pueden mencionar: Cera: recubrimiento lipídico que se deposita externamente en células epidérmicas; presentan una gran capacidad hidrofóbica. Cutiría: consiste de varios polímeros complejos de ácidos grasos (hidroximonocarbónicos). Se encuentra como una capa continua en la superficie externa de células epidérmicas. Reduce la pérdida de agua por evapotranspiración. 65

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Suberina: consiste en varios polímeros de ácidos grasos (hidroxiácidos fenólicos y loiónicos, los cuales se depositan en la pared secundaria de células de la epidermis. Forma el corcho que constituye la superficie externa de la corteza de tallos y raíces con crecimiento secundario. Tiene capacidad hidrofóbica y es un buen aislante térmico). Minerales: se presentan como óxidos o carbonates de Na, K, Ca, Mg, Fe, Al, Si, S, P; principalmente Ca y Mg en forma de carbonates y silicatos. Se denotan como incrustaciones en numerosas paredes celulares, y también en protoplasma o vacuola de la célula en forma de cristales.

Formación de la pared celular En la división celular ocurre la replicación del material genético y la separación de dos núcleos celulares y citoplasma, debido a la formación de una pared transversal en anafase tardía, lo cual empieza en el plano ecuatorial como una hilera de vesículas discontinuas de 100 nanómetros (nm), originadas en el Aparato de Golgi (llamado fragmoplasma), y que pronto se unen para formar la división entre las dos células, a lo cual se le denomina placa celular. En la zona marginal de la placa en formación se presentan numerosos microtúbulos, probablemente responsables de la dirección del movimiento de las vesículas. En áreas de más o menos 400 nm de diámetro entre dos células hijas, donde la capa vesicular no se fusiona, se forman conexiones microfibrillares conocidas como plasmodesmos. Al crecer la célula, la formación de pared es concomitante, para lo cual ocurren varios eventos: • • • • • •

Síntesis de celulosa en dictiosomas y porciones particulares del plasmalema. Síntesis de polisacáridos no celulósicos y proteínas en retículo endoplasmático, ribosomas y Aparato de Golgi. Ensamblamiento de dictiosomas. Traslado por vesícula de Golgi. Paso a través del plasmalema. Agregación de microfibrillas. Este proceso puede darse por: ínter suscepción. Cuando se entretejen las microfibrillas con las existentes. Aposición. Si se sobreponen las microfibrillas unas sobre otras. Mecanismo que se presenta con mayor frecuencia en la depositación de subsiguientes capas.

La formación de pared ocurre sobre la superficie interior de la pared celular ya formada; es decir, en relación directa la membrana celular. 66

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Formación

la pared celular primaria y secundaria

Previo a que la placa celular complete las paredes de las células hijas, se inician los procesos de consolidación de ellas. El nuevo material con el que se forma la pared consiste, en su mayor parte, de polisacáridos no celulósicos, depositados por vesículas de Golgi en dos capas a cada lado de la placa, la cual persiste como lámina media entre las dos células hijas. De igual forma, en este estadio temprano de desarrollo, se incorporan fragmentos de celulosa a las paredes. Estas, cuando son jóvenes, a pesar de que poseen una gran resistencia mecánica, no tienen estructuras rígidas, ya que continúan creciendo hasta completar su tamaño, de acuerdo con el incremento celular. La pared, generalmente, se reconoce como primaria durante todos los estadios de desarrollo que acompañan el incremento en área de la superficie celular. Después de que cesa el crecimiento, ella frecuentemente es engrosada por depósito de nuevos materiales y, en otros casos, por la formación de nuevas capas, —de diferente composición— sobre la superficie interior de esta, y hacia la porción exterior de la membrana celular, a la cual se le denomina pared celular secundaria. La formación de la pared da a la célula la forma final y constituye la base principal del soporte mecánico de la planta. El engrasamiento específico de cada célula vegetal, y los materiales que se depositan, determinan su función dentro de la estructura general de la planta.

El papel de los microtúbulos en la depositación de celulosa en la pared Los microtúbulos probablemente dirigen el movimiento del material vesicular durante el desarrollo de la placa celular, después de la división nuclear. Asimismo, están involucrados en el control de la depositación de polisacáridos en paredes viejas. Por ejemplo, en células que crecen predominantemente en dirección longitudinal, las microfibrillas de células se sitúan más o menos con una orientación transversal y los microtúbulos adyacentes a la pared están también orientados transversalmente, alrededor de la célula, como una serie de aros. Hay numerosos estudios que muestran la orientación de los microtúbulos no confinada a la célula con pared primaria, debido a que también ocurren adyacentes a regiones de engrasamiento secundario, en las células de conducción del xilema. Durante su diferenciación inicial, se depositan algunos engrasamientos de celulosa, siguiendo patrones definidos por grupos de microtúbulos que aparecen a lo largo de la membrana plasmática, entre las dos bandas sucesivas, y estos definen las áreas de la pared que no se han de engrosar. En las regiones de 67

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pared engrosada continúa el depósito de lignina, formando ornamentaciones características como anillos, hélices, redes, peldaños, etc. En células del parénquima de Coleus, por ejemplo, cuando se han diferenciado en elementos traqueales, un sistema de microtúbulos se asocia con las bandas de engrosamiento. Una similar asociación morfológica de microtúbulos con desarrollo de engrosamiento de pared se nota en el xilema maduro de órganos, como coleoptilos, raíz, vasos y elementos traqueales diferenciados de cámbium. Los microtúbulos se sitúan en la misma orientación de las microfibrillas y en el marco del patrón de engrosamiento de la pared celular. No hay evidencias para implicar a los microtúbulos en la síntesis enzimática de celulosa; sin embargo, usualmente se presenta a menos de 10 nm del plasmalema y del sitio de depositation de polisacáridos. Al agregar colchicina, la cual inhibe el ensamblaje de los microtúbulos, no se elimina la síntesis de la pared celular; sin embargo, produce efectos sobre la organización de ella. En la pared secundaria el patrón regular se rompe. También se inhibe la formación de la placa celular y causa una desorganización en la depositación de celulosa en las paredes primarias. Los microtúbulos probablemente tienen alguna función en el control preciso por el que la pared celular se estructura.

Formación de la placa celular y origen de la pared La formación de la nueva pared celular empieza con la división celular, después de que los dos juegos de cromosomas migran a sus respectivos polos en la anafase tardía. Una zona organizada del citoplasma, conocida como fragmoplasma, aparece en el plano ecuatorial de la célula en división. Esta zona —en forma de barril— está constituida por estructuras filamentosas, reconocibles bajo microscopía electrónica como microtúbulos, los cuales están alineados paralelamente entre sí, y perpendicularmente en dirección al eje de la división celular. La placa celular, la cual forma la base en las nuevas paredes estructuradas, es ensamblada conjuntamente con el fragmoplasma. Está formada de pequeñas vesículas citoplásmicas de alrededor de 100 nm de diámetro, los cuales se distribuyen en una delgada zona, aproximadamente en la porción media entre los dos núcleos hijos. Las vesículas que contienen polisacárido puede que se originen en los cuerpos de Golgi, los cuales se encuentran alrededor de los márgenes del fragmoplasma, y de elementos de retículo endoplásmico que frecuentemente invaden su región interzonal. Ellos se fusionan para formar una capa semisólida entre los dos nuevos protoplasmas, y sus membranas dan lugar al plasmalema, cuyo contenido forma el emparedado de la placa celular entre las dos capas de membrana. El ensamblaje empieza en la zona media de la célula en división y se desarrolla hacia 68

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afuera. Los microtúbulos son casi siempre más numerosos en la zona marginal para la extensión de la placa, y generalmente se asume que ellos dirigen el movimiento de las vesículas hacia la región de la placa, por formación de conductos, contribuyendo así con fuerzas contráctiles que arrastran a las vesículas a su posición (figura 6). Tríadas protoplasmáticas individuales, de 400 nm de diámetro, generalmente persisten en ciertas regiones entre las dos células hijas, donde la capa vesicular no se ha fusionado completamente, y forman conexiones tubulares conocidas como plasmodesmos. Figura 6. Microtubules como parte estructural en las células vegetales

Las flechas rojas indican un microtuúbulo) de sección transversal. Imagen tomada de: http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http:// wwvv2.uah.es/biologia_celular/LaCelula/Microtubulos-Neurofilamento. jpg&imgrefurl=http://www2. uah.es/biologia_celular/LaCelula/Cel5CK. html&h=442&w=472&sz=61&tbnid=-oJb4jU1eY_u2M:&tbnh=117&tb nw= 125&hl=en&start=2&prev=/images%3Fq%3Dmicrotubulos%26svn um%3D10%26hl%3Den%261r%3D

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Crecimiento

la pared celular por presión

La pared celular es permeable —virtualmente— a todas las moléculas. No así la membrana la cual es selectivamente permeable y tiende a concentrar ciertos iones y moléculas disueltas en el citoplasma. Como consecuencia de esto, ocurre la difusión de agua por ósmosis a través de la membrana, incrementando la presión dentro de la célula (presión de turgencia). El rango al cual se produce la pared por la presión que se ejerce contra ella determina, a la vez, el tamaño celular.

La auxina en el crecimiento de la pared celular Se ha demostrado que algunas sustancias se difunden del ápice a regiones inferiores a él. Este material ha sido identificado como ácido indolacético (IAA), también conocido como auxina. Esta hormona del crecimiento y algunos otros compuestos sintéticos están involucrados en ciertas respuestas morfológicas y fisiológicas de las plantas; por ejemplo, promover la formación de raíz, inhibir el crecimiento de las yemas, prevenir la absición de hoja y frutos, causar profundos cambios en el desarrollo de órganos cortados e intactos, etc. A nivel molecular, se reconoce que induce a un cierto número de enzimas y causa cambios en el metabolismo del ácido nucleico. La auxina generalmente se reconoce por su habilidad para incrementar el rango de crecimiento de tejidos primarios, y es extremadamente útil en investigaciones sobre crecimiento de la pared celular primaria. La tendencia de la célula para apropiarse de agua por presión osmótica normalmente está restringida por la presión de la pared opuesta a la primera. La promoción de crecimiento por auxina podría deberse al incremento del potencial osmótico de la célula o a la reducción de la presión de la pared.

Efecto de la auxina en la plasticidad de la pared celular Se considera que la pared celular es el principal punto en el cual influye la auxina en el crecimiento. Se han propuesto numerosos modelos acerca de su efecto sobre la plasticidad de la pared: 1) La actividad auxínica como promotor de la síntesis de nuevos materiales que, al ser incorporados en la pared, incrementan su superficie por unidad de área (figura 8) que se explica bajo los siguientes razonamientos: 70

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• Por aumento del potencial osmótico (incremento de solutos osmóticamente activos), lo cual actúa como estímulo para el crecimiento de la pared celular (aumenta la presión hacia la pared por apropiación pasiva de agua). • Intensificación del nivel respiratorio, por liberación de energía para la síntesis de compuestos de pared. • Activación de algunas enzimas en la célula, en la membrana o en la pared misma, las cuales promueven la transcripción genética y la síntesis de proteínas. • Activación de la bomba H+ ATP —asa en el plasmalema. 2) La auxina causa el rompimiento de los enlaces entre los componentes moleculares de la pared, desarticulando su estructura, con el consecuente aumento en la plasticidad. El reblandecimiento de la pared ocurre por rompimiento de los puentes de calcio que establecen las pectinas con múltiples compuestos y afectan los enlaces H+; existe un aumento de acidez (pH 3-4), lo que disminuye la viscosidad de la matriz y da posibilidad para que se formen nuevos enlaces, después del alargamiento, por incorporación de material en la pared. Los fundamentos de todo esto se explican a partir de varios modelos, como los siguientes: • Modelo de carriles deslizantes. La auxina afecta los enlaces H+, la acidez dispara la separación, la estructura tiene la capacidad de deslizamiento y posibilita la formación de nuevos enlaces después del alargamiento. • Modelo alternativo. La auxina estimula la transcripción de RNAm, ocurre la síntesis de proteínas, lo que facilita la construcción de materiales de pared mediante eliminación del bloqueo de genes reprimidos por histonas, liberándose así fragmentos de DNA. • Modelo de efectos. Efecto rápido a nivel de plasmalema (Bomba H+, reblandecimiento de pared), con efecto lento a nivel genético para síntesis de proteínas. • Modelo de efectos concatenados. La auxina afecta al RNA que se encarga de la síntesis proteica; esto estimula la Bomba H+ (que también puede ser estimulada directamente por la auxina), lo que provoca rompimiento de la estructura de la pared y su consecuente crecimiento.

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Figura 7. Efecto fisiológico en la célula por auxinas

Imagen tomada de: http://www.biologia.edu.ar/plantas/reguladores_vegetales_2005/images/tipos_9.gif

5 La importancia del agua en la planta y otros seres vivos

l agua resulta indispensable para la existencia y evolución de los ecosistemas vegetales y animales. Es un factor de condiciones climatológicas y edafológicas, por lo que su cantidad en la atmósfera y en el suelo tiene repercusión directa en los ecosistemas. Asimismo, es la parte esencial del protoplasma vegetal, constituye un elemento importante en la fotosíntesis y un medio indispensable de suministro de elementos nutritivos.

Características físicas El agua es una sustancia inodora, incolora, insípida y transparente. La densidad del agua se define como la masa de volumen (kg/m3), su valor se da en 1 (en realidad es 0.9999) y alcanza su máximo cerca de los 4 °C, a presión normal. Es decir, por regla general, toda sustancia, sea sólida, líquida o gaseosa, contrae o disminuye el volumen al enfriarse. El agua no constituye excepción a esta regla dentro de un amplio margen de temperaturas. A medida que su temperatura disminuye, partiendo de 100 °C —punto en el cual se condensa el vapor— y hasta llegar a 4 °C, el volumen disminuye en forma continua. Al llegar a ese punto, el proceso se invierte: en lugar de seguir contrayéndose por el descenso gradual de la temperatura, desde 4 °C, el volumen del agua se dilata hasta llegar a 0 °C. Esta expansión del agua cuando se forma hielo es realmente significativa, pues resulta dañina para las plantas, ya que se forman cristales de hielo en el interior de las células (por la temperatura), provocando una ruptura de las paredes celulares por los cristales extracelulares. El agua, debido a una propiedad química (puentes de hidrógeno), tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía para incrementar un grado centígrado 73

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1 gr o 1 cm3 de agua. De la igual manera, debido a la misma propiedad química, cabría esperar que conforme una molécula presenta un peso molecular más alto, existan las posibilidades de que el punto de ebullición será más alto. Algunos compuestos moleculares como el metano (que pesa 16), el etano (30), el propano (44) y el butano (58), hierven a 36 °C. El agua, la cual tiene un peso molecular de 18, hierve a los 100 °C. Asimismo, el agua presenta valores tan altos como el de solidificarse (cuando el agua líquida se congela) a 79.9 cal/gr, y para convertir un gramo de agua en vapor se requieren 539 calorías. Debido a su naturaleza polar —concepto que se explicará más adelante—, el agua es atraída por muchas otras sustancias polares. Esta adhesión o atracción con otras moléculas es importante para el movimiento del agua en el interior de la planta (tejidos xilemáticos). Además, el agua presenta una atracción entre sus moléculas —fenómeno denominado cohesión— hasta de 25 mpa, valores tan altos que proporcionan al agua una resistencia tensil que favorece que una columna de agua suba longitudes demasiadas altas, como la de los árboles.

Características químicas El agua está conformada por dos átomos: H y 0 2 . El oxígeno, al ser electronegativo, atrae los electrones del hidrógeno, dejando libre el núcleo del H, originando que la molécula presente un lado positivo (del H) y un lado negativo (del 0 2 ). Lo anterior provoca un ángulo de 104.5° con respecto al núcleo del oxígeno; esto origina que se manifieste el agua como una molécula tetraédrica: dos esquinas del tetraedro están ocupadas por dos hidrógenos y las otras dos están libres. Según esto, varias moléculas de agua solamente podrán estar juntas si se encuentran ordenadas de tal modo que la parte negativa de una molécula se oriente hacia la parte positiva de otra, y viceversa. Por lo tanto, dos H estarán unidos al O en forma de covalente, y dos de una forma de enlace de Vander Wals, pero más fuerte. Esto origina que la molécula se presente de manera hexagonal. El puente de H es un tipo especial de interacción entre moléculas. Este se forma cuando un enlace polar, conteniendo un átomo de H, interactúa con un átomo electronegativo, como oxígeno, nitrógeno, flúor o cloro. Esta interacción es representada como A-H... .B, donde A y B son los átomos electronegativos y la línea punteada representa el puente de hidrógeno. Todos los puentes de H son relativamente débiles (generalmente 10 kcal/mol) comparados con los enlaces covalentes. Sin embargo, son más fuertes que los enlaces de Vander Wals (1-4 kcal/mol). Los electrones exteriores de la molécula del agua pueden interactuar con otras moléculas polares, efectuando reacciones químicas; comúnmente, esto es denominado valencia iónica o poder de combinación. 74

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El agua, como solvente, debido a su carácter bipolar, disuelve más sustancias que cualquier otro líquido común. Esto se produce porque tiene una constante dieléctrica muy alta (medida de la capacidad de neutralizar la atracción entre cargas eléctricas). El lado positivo del agua es atraído por un ion negativo (anión) y el lado positivo por un ion positivo (catión).

El agua y la planta Los órganos vegetales en continua actividad metabólica se encuentran llenos de agua. El agua es un constituyente muy importante a nivel celular, ya que es el medio donde está embebido el protoplasma celular, lugar donde se realizan todas las reacciones metabólicas. El agua es de vital importancia, ya que es el medio que se transporta por los tejidos conductores, conteniendo los fotosintatos. Es, además, el producto al que se le confiere la turgencia celular, donde la cantidad que presenta una planta es producto de una absorción hídrica y una pérdida de agua por efecto de la transpiración; equilibrio que, cuando es afectado, muestra en la planta un déficit en el balance de agua, manifestando deshidratación, marchitez y, a más largo término, la muerte.

Importancia del agua en la materia vegetal El agua, desde el punto de vista fisiológico, es un componente importante de los organismos vivos. Las plantas están fijadas a un lugar y sujetas a la disponibilidad de agua en el mismo. La captación de agua se realiza generalmente a través del sistema radicular, con gran superficie de absorción. Por ejemplo, todas las raíces de una planta de trigo llegan a unos 100 km de longitud. Las raíces también se ramifican más al llegar a zonas más húmedas del suelo. La absorción del agua, por lo demás, solo es posible si existe una diferencia de nivel entre la planta y el suelo, siendo decisiva la presión osmótica. Aun variaciones muy pequeñas en la disponibilidad de agua pueden tener consecuencias importantes en la distribución de la cobertura vegetal. Se puede juzgar, al observar la tabla 6, cómo el agua es el constituyente más importante de los tejidos fisiológicamente más activos. Las plantas aéreas, como las epífitas, son capaces de absorber agua a través de pelos absorbentes y células especiales en las hojas, como las achupallas o bromeliáceas (Tillandsia spp.) del desierto costero, las cuales absorben agua atmosférica a través de pilosidades en las hojas. Otras bromeliáceas almacenan el agua en cisternas formadas por la disposición de las hojas. Tal es el caso de las bromeliáceas epífitas de 75

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los árboles de la selva amazónica, algunas de las cuales son capaces de almacenar varios litros de agua entre las hojas. También los liquenes, musgos y ciertas algas absorben el vapor de agua del aire. La transpiración o pérdida del agua es regulada a través de muchas formas o adaptaciones: • Epidermis coriácea o muy dura, muy característica de las plantas del desierto. • Pilosidad, serosidad, estomas profundos, hojas enrolladas y otras formas que mitigan el impacto del calor. • Reducción o desaparición de las hojas, como en los cactos, en los que las hojas se han transformado en espinas. • Pérdida temporal de las hojas (caducifolias), que es muy común en regiones de sequías prolongadas. En algunas plantas se presenta una eliminación activa del agua a través de ranuras especiales en el borde de las hojas. Según la adaptación de las plantas a zonas con determinadas condiciones de agua se distinguen: • Higrófitos. Plantas de zonas siempre húmedas, como las de los bosques amazónicos. Un ejemplo muy claro es la palmera aguaje, la cual crece en las zonas pantanosas amazónicas. • Tropófitos. Plantas de zonas con climas de humedad cambiante; es decir, alternancia entre épocas húmedas y secas. Es el caso de los musgos, los liquenes y las bromelias, entre muchas otras. Estas plantas logran soportar largos periodos de sequía reduciendo su actividad al mínimo. Uno de los ejemplos es el alga de los desiertos costeros (Nostoc commune), la cual en verano parece un polvo negro sobre la arena y en invierno absorbe agua y tiene consistencia gelatinosa. • Xerófitos. Plantas de zonas áridas y cálidas. Por ejemplo, los cactos, los cuales han desarrollado defensas especiales para evitar la pérdida de agua (hojas en espinas, una cutícula gruesa). • Hidrófitos. Plantas que necesitan estar en constante contacto con el agua —como las algas— y que mueren fuera de ella. Todas las plantas acuáticas pertenecen a este grupo. Por otra parte, todas las semillas necesitan agua, oxígeno y una temperatura adecuada para germinar; algunas semillas pueden mantenerse dormidas o inactivas hasta 76

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que las condiciones sean apropiadas. Semillas de algunas especies también requieren luz adecuada; algunas germinan mejor con luz total, mientras que otras requieren oscuridad. Cuando una semilla se expone a las condiciones apropiadas, agua y oxígeno son tomados a través de la cáscara de la semilla. Las células del embrión comienzan a agrandarse y la actividad respiratoria es incrementada. Entonces la cáscara de la semilla empieza a abrirse y la raíz o radícula emerge primero, seguida por la plúmula, que es como un brote muy pequeño que contiene hojas y tallo (figura 8). Tabla 6. Contenido de agua de diversos tejidos vegetales Órganos

Plantas

Cebada, regiones apicales Girasol, sistema radicular completo (de 7 semanas) Girasol, media de tallos de 7 semanas Tallos Lefio de Pinus echinate Lechuga (hojas internas) Hojas Girasol, media para el aparato foliar de 7 semanas Maíz adulto Cebada Semillas Cacahuate Raíces

Peso de agua (gr) por 100 gr de materia fresca 93 71 87.5 50-60 94.8 81 77 10.2 5.2

Figura 8. Variación de la intensidad de germinación de semillas de Avena sativa en función de su actividad respiratoria (I.R.) y de su contenido en agua

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976. 77

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Medida del contenido en agua Entre 90 y 95% en peso de las plantas es agua. El agua tiene gran importancia gracias a sus propiedades físico-químicas. El agua es un factor importante en el estrés vegetal, ya que las plantas sufren estrés por déficit hídrico cuando hay sequía. En ambientes áridos, la sequía es un tiempo prolongado de sequedad (definición poco precisa). Sequía: periodo en el que las precipitaciones están por debajo de la media determinada a lo largo de varios años (definición meteorológica). Sequía: periodo en el que se da un fuerte crecimiento de los precios agrarios, además nos indica que, como consecuencia de esta etapa, hay un descenso del crecimiento de las plantas. El estrés por déficit hídrico viene definido por el valor negativo del potencial del sustrato, lo cual nos determina la dificultad de la planta para absorber agua del suelo. El potencial del sustrato define, así, la dificultad de la planta para obtener agua. Para potenciales de sustrato iguales, diferentes especies de plantas tienen diferentes tensiones internas (= rta a cambio interno frente a factores ambientales externos). Las especies vegetales pueden almacenar agua evitando la transpiración, y así bajar la tensión interna. Para un mismo estrés existen respuestas diferentes, según el grado de resistencia. Existen diferentes formas de expresar la tensión interna: 1) Estrés suave: el potencial hídrico de la célula (¥w) baja unos pocos bares. 2) Estrés moderado: ¥w celular baja más, pero menos de 12-15 bares. 3) Estrés severo: ¥w celular baja más de 15 bares. Esta definición solo se refiere a ¥w y no tiene en cuenta el ajuste osmótico por descenso en ¥ osmótico. Muchas plantas tolerantes al estrés son capaces de almacenar sustancias osmóticamente activas, y hacen descender el ¥ manteniendo el ¥p (turgencia) constante y bajando el ¥ osmótico. Existe un mecanismo de resistencia al estrés por déficit hídrico, el cual es generado al disminuir el ¥osm y mantener el ¥p constante, e implica que disminuye el ¥ de la planta, por lo que si el ¥ de la planta es (lógicamente) menor que el del suelo con sequía la planta captará agua. Asimismo, existe el contenido hídrico relativo, el cual se refiere a la diferencia entre peso seco y peso fresco, dividido por el peso de saturación menos el peso seco (= relative water contained). Esto nos determina el contenido hídrico que tiene la planta en relación con el que tendría si estuviera muy bien hidratada; así como el déficit hídrico respecto a las condiciones óptimas (lo que tiene respecto a lo que debería tener).

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Es importante indicar que medir la cantidad de agua en los tejidos se realiza, generalmente, secando el material vegetal (desecación). La cantidad de agua contenida en el vegetal u órgano viene dada por la diferencia de peso entre la materia fresca y la materia seca. La desecación se realiza en estufas, a una temperatura que va de los 70 a los 110 °C, en vacío, hasta que el material mantenga un peso constante.

Diferentes estados del agua en tejido vegetal Gran parte de las propiedades del agua se deben a que los segmentos lineales que conectan los centros de los átomos de hidrógeno con el centro del átomo de oxígeno no están en línea recta, sino que forman un ángulo de 104.5°. Así, muchas moléculas de agua se hallan inmovilizadas por puentes de hidrógeno entre grupos alcohol, amina o carboxilo (figura 9). Especialmente, la celulosa fija una cantidad considerable de moléculas de agua a lo largo de los residuos glucídicos de sus cadenas moleculares. Esta agua inmovilizada, aunada a la de constitución, no es generalmente extraída de la materia vegetal por los procedimientos de desecación. Sin embargo, estas dos clases tan solo representan de 3 a 5% del agua total de un tejido. Figura 9. Diversos grados de uniones del agua en la materia vegetal

1) Puente de hidrógeno entre una molécula de agua; 2) puente de hidrógeno entre dos moléculas

de agua y 3) moléculas de agua libres, circulantes. Imagen tomada de: http://www.setinedic.edu.pe/ imagenes/h2o4.gif 79

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La penetración del agua en la planta La fase líquida del suelo está constituida por el agua y las soluciones del suelo. El agua procede de la atmósfera (lluvia, nieve, granizo, humedad atmosférica). Otras fuentes son: infiltraciones laterales, capas freáticas etc. Las soluciones del suelo proceden de la alteración de los minerales y de la materia orgánica. El agua ejerce importantes acciones, tanto para la formación del suelo (interviene decisivamente en la meteorización física y química, y la translación de sustancias), como desde el punto de la fertilidad. Su importancia es tal que la popular sentencia "donde no hay agua, no hay vida" podemos adaptarla en nuestro caso y decir que "donde no hay agua, no hay suelos". La fase líquida circula a través del espacio poroso, queda retenida en los huecos del suelo y está en constante competencia con la fase gaseosa. Los cambios climáticos estacionales y, concretamente, las precipitaciones atmosféricas, hacen variar los porcentajes de cada fase en cada momento. El agua en el suelo implica un estado energético que es tan importante —o más— que la cantidad de agua del suelo, pues predice el comportamiento, ya que el movimiento del agua está regulado por su energía. El agua en el suelo tiene varias energías y su medida se expresa en unidades de potencial (energía por unidad de masa). Los tipos de energía más importantes son: energía potencial (es la que tiene un cuerpo por su posición en un campo de fuerza), energía gravitacional (es la que tiene un cuerpo en función de su posición en el campo gravitacional), energía cinética (debida al movimiento), energía calorífica, energía química, energía atómica, energía eléctrica... La energía libre será la suma de todas estas energías: Energía libre = Ep + Eg + Ec + Ecal + Eq + Ea + Ee +... Como resultado de esa energía un cuerpo se puede desplazar o quedar en reposo. El grado de energía de una sustancia representa una medida de la tendencia al cambio de ese cuerpo. Las sustancias sufren cambios para liberar y disminuir su energía. Al conjunto de fuerzas que retienen el agua del suelo se llama potencial de succión. Tiene un sentido negativo y es el responsable de las fuerzas de retención del agua dentro del suelo; es igual al potencial matricial más el osmótico. Frente a él está el potencial gravitacional, el cual tiene un signo positivo y tiende a desplazar el agua a capas cada vez más profundas. Cuando el potencial de succión es mayor que el potencial gravitacional, el agua queda retenida en los poros, y cuando el potencial de succión es menor que el gravitacional, el agua se desplaza hacia abajo. 80

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El potencial matricial es debido a dos fuerzas: absorción y capilaridad. La atracción por absorción se origina como consecuencia de una superficie de sólidos descompensados eléctricamente. Las moléculas del agua actúan como dipolos y son atraídas, por fuerzas electrostáticas, sobre la superficie de las partículas de los constituyentes del suelo. Por otra parte, en los microporos del suelo queda retenida el agua por fuerzas capilares. El potencial osmótico es debido a las sales. Cuando se ponen en contacto dos líquidos de diferente concentración, la disolución más concentrada atrae al agua para diluirse. Solo es importante en el caso de suelos salinos. Asimismo, el agua del suelo puede clasificarse en una serie de términos diferentes, ya sea desde un punto de vista físico o desde el punto de vista agronómico. Desde el punto de vista físico existen diferentes tipos de agua: • Agua higroscópica. Absorbida directamente de la humedad atmosférica, forma una fina película que recubre a las partículas del suelo. No está sometida a movimiento, no es asimilable por las plantas (no absorbible). Está fuertemente retenida a fuerzas superiores a 31 atmósferas, que equivale a pF de 4.5. • Agua capilar. Contenida en los tubos capilares del suelo. Dentro de ella distinguimos el agua capilar absorbible y la no absorbible. Agua capilar no absorbible. Se introduce en los tubos capilares más pequeños <0.2 micras. Está muy fuertemente retenida y no es absorbible por las plantas. La fuerza de succión es de 31 -15 atmósferas, que corresponde a pF de 4.5 a 4.2. Agua capilar absorbible. Es la que se encuentra en tubos capilares de 0.2-8 mieras. Es un agua absorbible por las plantas. Es útil para la vegetación, constituye la reserva durante los periodos secos. Está fuertemente absorbida. La fuerza de retención varía entre 15 a 1 atmósfera y se extrae a pF de 4.2 a 3. • Agua gravitational. No está retenida en el suelo. Se habla de agua gravitacional de flujo lento y agua gravitacional de flujo rápido en función de su velocidad de circulación. De flujo lento. La que circula por poros comprendidos entre 8 y 30 mieras de diámetro. Se admite que está retenida a un pF que varía desde 3 a un valor entre 1.8 y 2.5. Tarda de 10 a 30 días en atravesar el suelo y en esos días es utilizable por las plantas. 81

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De flujo rápido. La que circula por poros mayores de 30 micras. Es un agua que no queda retenida en el suelo y es eliminada al subsuelo, pudiendo alcanzar el nivel freático. Es un agua inútil, ya que cuando está presente en el suelo, los poros se encuentran totalmente saturados de agua, el medio es asfixiante y las raíces de las plantas no la pueden tomar. Desde el punto de vista agronómico: • Capacidad máxima. Momento en el que todos los poros están saturados de agua. No existe fase gaseosa. La porosidad total del suelo es igual al volumen total de agua en el suelo. • Capacidad de retención. Cantidad máxima de agua que el suelo puede retener. Representa el almacenaje de agua del suelo. Se produce después de las precipitaciones atmosféricas, cuando el agua gravitacional abandona el suelo. No obstante, durante ese periodo se producen pérdidas por evaporación, absorción de las plantas, etc.; por ello es muy difícil de medir. Hay una medida equivalente que se realiza en el laboratorio a un pF = 3; corresponde al agua higroscópica más la capilar; es decir, el agua que ocupa los poros <8 mieras. • Capacidad de campo. Surge este término para paliar la dificultad de medida de la capacidad de retención. Representa un concepto más práctico, el cual trata de reflejar la cantidad de agua que puede tener un suelo cuando se pierde el agua gravitacional de flujo rápido, después de pasados dos días de las lluvias (se habrá perdido algo de agua por evaporación). La fuerza de retención del agua variará para cada suelo, pero se admite generalmente una fuerza de succión de 1/3 de atmósfera o pF = 2.5, y corresponde a poros <30 mieras (para algunos suelos, el pF de 1.8 es más representativo). • Punto de marchitamiento. Representa cuando el suelo se deseca a un nivel tal, que el agua que queda está retenida con una fuerza de succión mayor que la de absorción de las raíces de las plantas. Es el agua que queda a una presión de 15 atmósferas o pF = 4.2. El agua contenida corresponde al agua higroscópica más el agua capilar no absorbible. • Agua útil. Es el agua de flujo lento más la absorbible, menos la no absorbible e higroscópica. Representa el agua en capacidad de campo menos la que hay en el punto de marchitamiento. Con base en esto último, se destaca lo siguiente: Suelos arenosos. Muy baja capacidad de campo, pero casi toda su humedad es agua útil, pues la cantidad de agua en punto de marchitamiento es muy pequeña. 82

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Suelos arcillosos. Muy alta capacidad de campo, pero con gran cantidad de agua inútil en punto de marchitamiento. Suelos de granulometrías equilibradas. Buenas características al compensarse los efectos de las arenas y de las arcillas. Cuando se requiere medir la humedad del suelo, se efectúa por el método de la pérdida de peso de una muestra húmeda tras eliminar el agua en estufa a 105° C. Se van efectuando sucesivas pesadas, hasta obtener valores constantes. H = (Ph-Ps)/Ps x l00 Donde Ph= peso del suelo húmedo; Ps = peso del suelo seco. Esa cantidad de agua que tiene el suelo debe expresarse en función de la fuerza a la que es retenida, ya que su comportamiento va a ser muy distinto dependiendo de las fuerzas de retención a las que se encuentre sometida. Efectivamente, si la mayor parte del agua está débilmente retenida, esta se podrá mover y será asimilable para las plantas, mientras que si toda el agua está fuertemente retenida, carecerá de movilidad y será un agua inútil para las plantas. En la figura 10, se podrán observar los diferentes estados del agua en el suelo: a) relación entre el contenido de agua en el suelo —en porcentaje de peso de tierra seca— y la presión negativa (tensión) del suelo —en atmósferas (h)—; b) valores críticos para la vegetación en dos suelos muy diferentes (en verde, agua disponible para la vegetación). Para medir el potencial de succión existen varios métodos para utilizar en el campo o en el laboratorio: • Métodos de campo. El más sencillo es el método del tensiómetro. Consiste en introducir en el suelo una bujía (porosa en su parte inferior, generalmente cerámica) llena de agua. La bujía está cerrada herméticamente y lleva acoplado un manómetro. Al succionar el suelo parte del agua de la bujía, se produce en ella un vacío que se mide en el manómetro. Más que medir potenciales de succión, refleja variaciones de este y sirve para controlar in situ la cantidad de agua retenida por el suelo y, por tanto, para el control de riego. La tabla 7 expone la gran variabilidad del poder de retención de agua entre un suelo y otro. • Métodos de laboratorio. El más universal es el método la placa de presión (o membrana de Richards). Se somete una muestra de suelo a una serie de presiones 83

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en una olla metálica conectada a un compresor. Cuando se iguala la presión que suministramos con la fuerza de succión, el agua sale del suelo. Las medidas de fuerza de retención del agua del suelo llegan hasta 16 mil gr/ cm2. Para simplificar los datos, se utilizan unidades de pF que representan los valores de los logaritmos decimales de las fuerzas de succión medidas en gr/cm2 (una fuerza de mil gr/cm2 equivale a un pF de 3). También son frecuentes las medidas expresadas en atmósferas. Así, las medidas de humedad del suelo se acompañan de las fuerzas de retención correspondientes; por ejemplo, 35% de humedad a un pF de 2.5 y 20% a un pF de 4.2. El estudio de la humedad de un suelo es mucho más completo si calculamos la curva característica que relaciona gráficamente los valores de humedades y las fuerzas de retención correspondientes; pero esta curva no es unívoca. Para una misma muestra de suelo, la curva obtenida no es la misma en una muestra húmeda que se va desecando (desorción), con respecto a la que se obtiene si se parte de la muestra seca y la vamos humedeciendo (sorción). Este distinto comportamiento del suelo —según se encuentre en un periodo de desecación o de humectación, en relación con la fuerza con la que el agua está retenida—, es el fenómeno de histéresis. Para un determinado contenido de humedad, cuando vamos desecando un suelo se necesita aplicar un pF mayor que cuando este se va humedeciendo. Por norma internacional, las medidas de humedad y retenciones se calculan siempre desecando las muestras de suelo previamente humedecidas. La cantidad de agua disponible para la vegetación es, por tanto, muy diferente de un suelo a otro, según la naturaleza y textura de los minerales constituyentes (figura 10b). Tabla 7. Contenido de agua en diversos suelos, y puntos de marchitez permanente de tres plantas cultivadas en dichos suelos Suelos

Equivalente de humedad (%)

Puntos de marchitez permanente (%) Trigo Tomate Chícharo

Arena gruesa Arena fina Tierra franca arenosa

1.6

1.07

1.11

1.02

5.5 12.0

3.1 6.5

3.3 6.9

Tierra franca

19.0

9.9

11.7

12.4

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Figura 10. Estados del agua en el suelo

a) Relación entre el contenido de agua en el suelo —en % de peso de tierra seca— y la presión negativa (tensión) del suelo —en atmósferas (h). b) Valores críticos para la vegetación en dos suelos muy diferentes (en verde, agua disponible para la vegetación). Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

La absorción de agua por las raíces El transporte de agua y nutrientes está relacionado con diversos factores ambientales, como la composición del suelo, la lluvia, la luz y el calor solar, el aire, etc. Dependiendo del tipo de suelo (arenoso, humífero, arcilloso, calcáreo, limoso...), cuando llueve ocurre un proceso de lixiviación o arrastre de material del horizonte A al horizonte B, y el agua disuelve las moléculas de los compuestos químicos del suelo. El agua así enriquecida constituye el agua capilar que rodea a los pelos absorbentes de 85

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las raíces de las plantas (figura 11). Por osmosis, los pelos absorbentes toman el agua con las sales minerales disueltas (medio hipotónico), y la presión osmótica hace que las sustancias asciendan (capilaridad) por el tallo (xilema), hasta llegar a las hojas. En las hojas, gracias a la luz solar, al C0 2 atmosférico y a la clorofila, la savia bruta—o no elaborada— se transforma en savia elaborada, la cual es transportada por los tubos cribosos (floema) a todas las partes de la planta para ser almacenada y así formar frutos, raíces y tallos. Estos procesos son más rápidos debido a la transpiración de la planta, la cual aporta humedad al ambiente (figuras 12 y 13). Aunque en menor grado, la absorción de agua también se puede dar en las zonas suberificadas de las raíces y a nivel de las fisuras y lenticelas, lo que puede llegar a ser importante para los árboles grandes. Figura 11. Experimento clásico de Rosene, el cual demuestra la absorción del agua por los pelos absorbentes de las raíces

En 1 y 3, los pelos absorbentes de la plántula están sumergidos en agua (en 3, la punta de la raíz no lo está): la plántula vive. En 2, los pelos absorbentes están en el aceite y, a pesar de estar la punta de la raíz todavía en el agua, la plántula se marchita. El volumen ocupado por el aparato radical de una planta es, a menudo, igual al volumen englobado por la parte aérea. Hay, efectivamente, una adaptación del aparato de succión del agua al drenaje —más eficaz— del agua del suelo, y el perfil del aparato radical varía de una especie a otra incluso para un suelo concreto. Ciertas plantas, como las cactáceas, extienden sus raíces en la superficie para captar al máximo el agua de las capas superficiales del suelo; otras plantas, por el contrario, hunden profundamente sus raíces en el suelo, quizás hasta entrar en contacto con la capa freática. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

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Figura 12. Variación diaria de la cantidad de agua absorbida (calculada por la cantidad de agua transpirada) por una planta (Cynoglossum officinali)

El máximo de absorción se sitúa hacia las 10 hrs de la mañana. A partir de esta hora, la temperatura y la sequedad relativa del aire siguen aumentando hasta el mediodía, lo cual provocaría normalmente una evaporación incrementada del agua, pero los mecanismos de regulación de la transpiración (cierre de estomas) intervienen y disminuye la cantidad de agua cedida a la atmósfera (y, por tanto, tomada del suelo). Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

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Figura 13. Variación diaria de la transpiración de una planta de frijol (Phaseolus vulgaris) durante tres días consecutivos, sobre un suelo no regado

La cantidad de agua tomada del suelo (por tanto, transpirada) se hace tanto más baja, cuanto más se acentúa la desecación del suelo. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

Medida de la absorción del agua por las raíces La circulación del agua en los vegetales cumple la función de transporte de nutrientes y otras sustancias, y se realiza de un modo peculiar, diferente del de los animales. El agua presenta varios procesos para desplazarse en el interior de la planta, siguiendo las diferencias de potencial hídrico. El potencial hídrico consta de varios componentes: Potencial hídrico = Potencial osmótico + Potencial de presión + Potencial matricial + Potencial gravitacional. Potencial osmótico. Está relacionado con la osmolaridad de la disolución acuosa. Depende de los osmolitos disueltos en el agua.

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• Potencial de presión. Es el relacionado con la presión que ejercen las paredes celulares vegetales contra la célula. Es máximo cuando alcanza la máxima turgencia, y mínimo cuando alcanza el valor de plasmólisis incipiente. • Potencial matricial. Está relacionado con la absorción por capilaridad del agua. • Potencial gravitacional. Es aquel relacionado con la fuerza de gravedad. Así, el agua viaja desde las zonas con mayor potencial hídrico hacia las zonas con menores potenciales. Una planta en un suelo óptimo (potencial hídrico cercano a 0 kpa = kilopascales) absorbería agua por las raíces, ésta viajaría por el xilema, llegaría a las hojas, donde se evaporaría, y pasaría a la atmósfera, la cual tiene un potencial hídrico realmente bajo (del orden de decenas de kpa negativo). Este proceso descrito se llama transpiración. Así, la mayoría del agua absorbida por la planta es evaporada en las hojas. Estas fuerzas de evaporación crean una tensión negativa, la cual tira del agua hacia las ramas superiores, ya que el proceso de capilaridad no es suficiente para llevar el agua a varios metros de altura. Por último, existe otra fuerza que hace subir el agua por el xilema de la planta: es una presión positiva, ejercida por la raíz, que absorbe agua activamente (gracias a la absorción de osmolitos). La cantidad de agua tomada del suelo por una planta se puede medir de diversas formas: 1) por diferencia de peso (peso seco-peso húmedo); 2) con la ayuda de un potómetro (que mide la cantidad de agua absorbida, desplazando el menisco de aire en el capilar del aparato), o 3) midiendo la gutación del agua emergida por la base de un tallo cortado. Todos estos métodos son criticables. Sin embargo, a pesar de sus desventajas, nos pueden dar una idea de la cantidad de agua absorbida diariamente por los vegetales: como regla general, se puede decir que un vegetal absorbe, como media y por día, su propio peso en agua. Un árbol de un bosque templado absorbe, así, 500 litros de agua por día, lo que representa 30 toneladas por hectárea de bosque; una vid absorbe 1 litro de agua por día (medida por gutación). Estas cantidades son importantes, pero son largamente cubiertas por las precipitaciones atmosféricas de las regiones templadas en que viven estas plantas.

Factores que regulan la absorción de agua por las raíces Como ya se había indicado, la absorción de agua y nutrientes está relacionada con diversos factores ambientales (como la composición del suelo, la lluvia, la luz y el calor solar, el aire, etc.). Se habló de un proceso de lixiviación donde el agua disuelve las moléculas de los compuestos químicos del suelo. Lo contrario ocurre cuando, por 89

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debajo de un cierto contenido en agua —diferente para cada suelo—, se alcanza el estado de marchitez irreversible de la vegetación (tabla 7). No obstante, también existen factores metabólicos que desempeñan un papel importante en la absorción del agua por las raíces. Entre ellos, se puede citar la disponibilidad de oxígeno en el suelo y el aire.

Los mecanismos termodinámicos de la absorción de agua El movimiento del agua a través de la raíz sigue un proceso totalmente diferente del de los iones, el cual en la mayoría de los casos, implica a proteínas transportadoras. Bajo condiciones de una planta que transpira, se puede decir que una planta no absorbe agua sino que deja pasar el agua a través de ella. En otras palabras, no se trata de un proceso de absorción activo. El agua se mueve pasivamente a través de la raíz, en respuesta a gradientes de potencial hídrico. La apertura o cierre estomático se ha considerado siempre el proceso regulador de la entrada de agua a las plantas. Sin embargo, desde el descubrimiento de los canales de agua, se ha abierto la posibilidad de que esta pueda estar regulada a nivel radicular. Haciendo una breve introducción histórica sobre los procesos que llevaron al descubrimiento de los canales de agua, la bicapa lipídica ha sido considerada, durante mucho tiempo, como la ruta mayoritaria de la entrada y salida de agua a las células vivas. Esta entrada y salida de agua se caracteriza por tener igual Pf (coeficiente de permeabilidad) que Pd (coeficiente de difusión). La determinación de la relación Pf/ Pd mayor que 1, en eritrocitos y en células de los túbulos renales, fue la primera evidencia de la existencia de poros que permitían el paso del agua. En unos experimentos, en los que se determinaba la permeabilidad osmótica del agua en membranas plasmáticas, se descubrió que al añadir Hg a la disolución de incubación disminuía la permeabilidad hasta casi 100%, a partir de 30 μM. Este efecto puede ser revertido por agentes reductores que capturan el Hg, como pueden ser el DTT y el mercaptoetanol. En ningún caso, la bicapa lipídica se ve alterada por estos dos compuestos. Cabe indicar que este movimiento de agua repercute en la turgencia como un factor esencial en el crecimiento y alargamiento de la célula, para el crecimiento y mantenimiento de la forma en las plantas herbáceas. La turgencia también es importante para la apertura de los estomas y el movimiento de las hojas, los pétalos y otras estructuras especializadas. La incapacidad para mantener la turgencia resulta en una inmediata reducción del crecimiento. Esto último, basado en gran parte en los segmentos lineales del agua (previamente explicado). Sin embargo, hecha esta 90

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discusión sobre el agua, sus funciones y propiedades, ahora se tratará de entender cómo el agua y otras sustancias entran y salen de la célula. Los fluidos son sustancias líquidas o gaseosas que fluyen o se ajustan a la forma del recipiente que los contiene. Cuando el flujo ocurre en respuesta a diferencias en la presión, e implica átomos o moléculas que se mueven simultáneamente, se le 11ama flujo masivo. Las diferencias de presión se pueden deber a la gravedad o a fuerzas mecánicas. En los vegetales, los fluidos se desplazan por los tejidos vasculares por flujo masivo, en respuesta a diferencias de presión que se crean por difusión. Difusión es el movimiento de las moléculas entre dos puntos, en respuesta a las diferencias de concentración en las sustancias. La velocidad de difusión es proporcional a la energía cinética de las moléculas (su temperatura), su tamaño (la velocidad de difusión es proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular), la densidad del medio que atraviesan y el gradiente de concentración sobre el cual se difunden. Cuando ocurre la distribución uniforme de las moléculas, se establece un equilibrio dinámico y cesa su movimiento neto (aunque existe continuo movimiento o difusión de moléculas dentro del sistema en equilibrio). La difusión ocurre en respuesta a un gradiente de concentración. La concentración es la cantidad de sustancia, o el número de partículas por unidad de volumen. Se produce un gradiente cuando la concentración cambia, de manera gradual, de un volumen de espacio a otro. Visto así, es muy sencillo; pero para entenderlo mejor, es necesario revisar los conceptos de termodinámica. Los principios de termodinámica, inicialmente desarrollados para entender el calor y las máquinas, son ahora aplicados a todas las formas de energía. Primera ley de la termodinámica. En todos los cambios físicos (la difusión es un proceso físico) y químicos, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En un proceso como la difusión, la transformación ocurrirá de manera espontánea si el estado final tiene menor nivel de energía que el inicial. La termodinámica del equilibrio informa sobre el nivel de energía en un estado inicial (antes) y el nivel de energía en un estado final (después). Una medida de energía, asociada con un estado en particular (inicial, antes de o final, después de ocurrido el proceso), se conoce como entalpia (H). H = E+PV Donde: E = energía interna; P = presión; V = volumen. La energía interna existe en dos formas: potencial y cinética. La organización de estas formas de energía puede producir trabajo. Las diferencias en entalpia (DH) pueden cuantificarse si se mide el calor liberado o ganado por el sistema al moverse de 91

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un estado a otro. Los procesos que liberan calor son exotérmicos y tienen un (-DH), pero si obtienen calor se llaman endotérmicos (DH). Los procesos con (-DH) son espontáneos, ya que van de un estado energético mayor a uno menor. Como no es posible cuantificar la energía interna total o absoluta de un sistema, debe haber algo más que contribuya al estado energético total del sistema, esto es la entropía. Segunda ley de la termodinámica. Cualquier sistema, más sus alrededores, tiende en forma espontánea a un mayor desorden. La medida de ese desorden se llama entropía (S). La entropía aplica muy bien en el proceso de difusión, y se considera que un sistema alcanza su equilibrio, cuando logra su máximo desorden. Gibbs tomó los dos elementos que se derivan de las leyes de termodinámica (entalpia y entropía) y desarrolló el concepto de energía libre, el cual se expresa con la fórmula: G = H-TS Donde: G = energía libre; H = entalpia; S = entropía; T = temperatura en °Kelvin. La energía libre se define como la energía disponible (sin cambio de temperatura) para producir trabajo. A partir de esa apreciación, se establece que el potencial químico de una sustancia, bajo cualquier condición (esto es: pura, en solución o como integrante de un sistema complejo), es la energía libre por mol de esa sustancia. A mayor energía libre/mol, mayor potencial químico. Para el agua, por ser la sustancia más común e importante sobre la tierra, se ha establecido que su potencial equivale a su potencial químico, y es una medida de la energía disponible para reaccionar con otras sustancias o para moverse: el agua circula entre dos puntos siempre que su potencial tennodinámico no sea idéntico entre dichos puntos. El potencial hídrico utilizado en fisiología se deriva de esta magnitud. Constituye la resultante de fuerzas de orígenes diversos (osmótica, capilar, de imbibición, turgencia, etc.), lo que liga el agua al suelo o a diferentes tejidos del vegetal. El potencial hídrico corresponde, desde el punto de vista energético, al trabajo que habría que suministrar a una unidad de masa de agua, ligada al suelo, o a los tejidos de una planta, para llevarla de este estado de unión a un estado de referencia, correspondiente al del agua pura (a menudo denominada libre por oposición a la ligada), a la misma temperatura y a la presión atmosférica. El potencial hídrico para el agua pura o libre es 0; todos los que caracterizan el agua ligada son negativos, puesto que sería necesario suministrar trabajo para llevar esta agua a un y = 0. El agua, como todas las sustancias, se mueve a favor de un gradiente de energía, cediéndola a medida que se mueve. Mientras que la energía pueda perderse como resultado del movimiento del agua, este continuará. El equilibrio se alcanzará sólo cuando 92

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ya no ocurran circunstancias que propicien pérdida de energía. En un sistema particular, el potencial hídrico total es la suma algebraica de varios componentes: y = yp + ys + ym + yg Siendo yp, ys, ym, yg, respectivamente, componentes debidos a fuerzas de presión, osmótica, mátrica y gravitacional. El componente de presión (yp) representa la diferencia en presión hidrostática con la referencia y puede ser positivo o negativo. El componente osmótico (ys) es consecuencia de los solutos disueltos, disminuye la energía libre del agua y es siempre negativo. El potencial mátrico (ym) es similar al ys, excepto que la reducción en la actividad del agua es consecuencia de fuerzas en las superficies de los sólidos. La distinción entre yp y ym es, hasta cierto punto, arbitraria, puesto que, frecuentemente, es difícil decidir si las partículas son solutos o sólidos. El componente gravitacional (yg) es consecuencia de diferencias en energía potencial debidas a diferencia de altura con el nivel de referencia, siendo positivo si es superior al de referencia y negativo cuando es inferior. El potencial hídrico de un sistema expresa esta capacidad de realizar trabajo. Este puede ser negativo, cero o positivo, debido a que la presión puede ser positiva y muy elevada, en tanto que el ys puede ser cero o negativo. A medida que aumenta la presión sobre la solución, también aumenta la capacidad del solvente par realizar trabajo, y, por lo tanto, el potencial de agua de la solución. El potencial hídrico se expresa en atmósferas, bares, paséales (pa) o megapascales (mgp); 1 bar = 10 mpa. Por otra parte, una célula vegetal —para fines de entendimiento— puede verse como un osmómetro donde las membranas citoplásmica y tonoplasto serían recubiertas por una pared elástica, parcialmente deformable (pared pectocelulósica) (figura 14). Si la célula está inmersa en un medio hipotónico (de presión osmótica inferior a la de su líquido vacuolar), se produce una solicitud de agua, desde el área menos concentrada hacia la más concentrada, repercutiendo que el agua entre en la célula y se hinche, provocando una turgencia en la misma. La presión osmótica del líquido en el interior de la célula es, por tanto, responsable de la entrada de agua en la célula vegetal; pero es importante hacer notar que siempre a cada instante, esta presión osmótica debe ser rebajada por la contrapresión, de resistencia a la deformación, ejercida por la red pectocelulósica. Se denomina succión, S, a la diferencia entre la presión osmótica y la contrapresión ejercida por la pared.

La cantidad de agua que entra en una célula es, a cada instante, proporcional a las fuerzas de succión ejercidas por la célula sobre el agua que la rodea (figura 15). 93

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Figura 14. La célula vegetal vista como un osmómetro

Las cubiertas semipermeables son la membrana citoplasmática (m) y el tonoplasto (t). La pared pectocelulósica (P), totalmente permeable, opone una tensión de membrana a las deformaciones provocadas por las variaciones de la presión osmótica interna (Pj) del medio vacuolar (V). En A, la presión osmótica del medio exterior (Pe) es igual a la presión interna: hay isotonía. Se ha representado justo un inicio de plasmolisis en un ángulo del marco celular. En B, el medio es hipertónico con respecto al medio vacuolar: hay plasmolisis. En C, siendo el medio exterior hipotónico, la célula está turgente. Se advertirán las ligeras deformaciones de la pared pectocelulósica. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

Las membranas biológicas están formadas por una bicapa lipídica que contiene proteínas integrales y periféricas. Se caracterizan por ser semipermeables o selectivamente permeables; esto significa que permiten el paso libre, de agua y de sustancias de bajo peso molecular sin carga, a través de ellas, más fácilmente que el movimiento de sustancias cargadas y grandes moléculas de soluto. Las soluciones isotónicas tienen una concentración de soluto igual a la del citoplasma celular, por lo que los potenciales hídricos son iguales; la célula se encuentra en equilibrio osmótico con el medio. Una solución hipotónica tiene una concentración de soluto menor que el citoplasma celular, por lo que la célula absorbe agua y se hincha, aumentando la presión de turgencia, la cual es una presión hidrostática que se ejerce sobre la pared celular. Una solución hipertónica tiene una concentración de soluto mayor que el citoplasma celular, por lo que tiene un potencial hídrico menor que el del contenido 94

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celular. La célula pierde agua, la membrana se retrae, separándose de la pared, y la célula se vuelve flácida; se dice que la célula se ha plasmolizado. En la figura 16 se pueden observar los fenómenos descritos y los gradientes de succión medidos en un corte transversal de raíz de Vicia faba. Figura 15. Variación de la succión (S) en función del volumen celular

Posm: presión osmótica interna. Pmemb: resistencia de las paredes a la deformación. Vo: volumen celular en condiciones isotónicas. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

A partir del endodermo, y hasta los vasos leñosos, el gradiente de succión se invierte y por tanto, la formación de la savia bruta en los vasos del leño resulta de una excreción activa del agua, a partir del endodermo. La presión es una fuerza por unidad de área (P = F/A), de tal forma que la presión osmótica generada en la célula, resultante de la ósmosis, produce una presión hidrostática sobre las paredes celulares denominada: presión de turgor (Pt). El turgor en 95

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las plantas da lugar al crecimiento, movimientos y otras respuestas, como la apertura de los estomas. Desde que las fuerzas se desarrollan en pares —acordémonos de la Tercera Ley de Acción y Reacción de Newton, la cual dice que las fuerzas reales existen en pares iguales en magnitud, y opuestas en dirección—, desde el exterior de la célula se ejerce una presión en sentido contrario, pero con la misma magnitud, la cual se llama presión parietal (P p ). Cuando se alcanza la condición de equilibrio no ocurre difusión neta de agua al interior de la célula, y las tres presiones se igualan: PQ = Pt= Pp. Sin embargo, en cualquier otra condición que no sea la de equilibrio, Pt= Pp pero ambas son diferentes a la presión osmótica, PQ. Figura 16. Gradientes de succión medidos en un corte transversal de raíz de Vicia faba

Los valores que aparecen en el corte son los de las succiones (en atmósferas) en las diferentes células. Se ve que la circulación de agua, desde el medio hasta el cilindro central, se explica muy bien por el gradiente natural de succión. A partir del endodermo, y hasta los vasos leñosos, el gradiente de succión se invierte y, por tanto, la formación de la savia bruta en los vasos del leño resulta de una excreción activa del agua, a partir del endodermo. Fuente: Mazliaky Cañadell, 1976.

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transpiración

En las plantas, es la pérdida de agua en forma de vapor, a través de los estomas, cutícula y la peridermis (superficie suberizada con lenticelas). Se ha calculado que una planta de maíz debe transpirar 600 kg de agua para producir un kg de granos de maíz seco, y para producir un kg de biomasa seca (incluyendo hojas, tallos y raíces), debe transpirar 225 kg de agua. De la cantidad total de agua que es absorbida del suelo, transportada en el tallo y transpirada hacia la atmósfera, solamente una fracción muy pequeña —de 1%— se incorpora a la biomasa. Casi toda el agua que se pierde por la hoja lo hace a través de los poros del aparato estomático, los cuales son más abundantes en el envés de la hoja. Las hojas pierden agua, irremediablemente, a través de los poros estomáticos como consecuencia de la actividad fotosintética de las células del mesófilo. Se podría decir que la transpiración es un mal necesario, ya que si los estomas no se abren, no penetra el C0 2 requerido por las células del parénquima clorofílico para la fotosíntesis. El potencial hídrico de la planta está determinado por dos factores importantes: la humedad del suelo, la cual controla el suministro de agua y la transpiración, la cual gobierna la pérdida de agua. Estos factores ejercen su acción a través de la conductancia estomática, la cual depende tanto del contenido de agua del suelo, como de la humedad relativa del aire. En promedio se encuentran 10 mil estomas por cm2 de superficie foliar, aunque muchas plantas xerófitas, como las suculentas (cactáceas), pueden tener en promedio mil y algunos árboles deciduos tienen 100 mil o más, por cm2. Los estomas regulan el intercambio gaseoso. Generalmente, abren en la luz y cierran en la oscuridad, a excepción de las plantas con metabolismo ácido de crasuláceas, en las que cierran de día y abren de noche. Las hojas que presentan los estomas en el envés se denominan hipoestomáticas, las que lo tienen en la haz son epiestomáticas y las que presentan estomas en ambas superficies son anfiestomáticas, como ocurre en muchas plantas herbáceas.

Los factores físicos que afectan la intensidad de la transpiración La transpiración es un mal necesario, ya que los estomas se abren en presencia del estímulo luminoso para absorber el C0 2 requerido en la fotosíntesis, aunque el balance hídrico se altere al escaparse el agua de la planta. El flujo de agua a través de la planta, inducido por la transpiración, provee un buen sistema de transporte para los minerales que son absorbidos por las raíces y se mueven en la corriente transpiratoria. Asimismo, la absorción de agua del suelo tiene un efecto en la movilización de sales minerales del suelo hacia la raíz, facilitando su absorción sin un gasto de energía adicional, 97

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lo que implicaría la formación de masas de raíces que exploren amplias superficies de suelo. Otro efecto de la transpiración es la acción refrigerante de la hoja. La evaporación de agua de la superficie foliar va acompañada de una pérdida de calor. El calor de evaporación del agua es aproximadamente 600 cal g-1; esta pérdida de calor ayuda a mantener una temperatura adecuada de la hoja durante días muy soleados. La reducción de temperatura foliar por transpiración está en el orden de 2-3 °C por debajo de la temperatura del aire. Podemos concluir que la transpiración ejerce un efecto de enfriamiento en la superficie foliar. Se ha sugerido que la transpiración es necesaria para el crecimiento normal de las plantas, ya que ayuda a mantener un estado de turgor óptimo. Cuando las plantas crecen en una atmósfera saturada de humedad, presentan un aspecto suave y carnoso, que puede ser el resultado de una gran absorción de agua, la cual causa un mayor alargamiento celular. Las plantas terrestres casi nunca están en un estado de turgor óptimo aunque la savia celular pueda tener una presión osmótica alta, como en algunas halófilas de 200 atm; la pérdida de agua por transpiración mantiene la presión de turgor por debajo de la presión osmótica. Son muchos los factores que afectan la pérdida de agua por las plantas, los más importantes son los factores ambientales que afectan directamente la presión de vapor de agua en la hoja y en la atmósfera. Entre ellos, se destaca el factor luz, la temperatura, la humedad y el viento. Se ha observado un efecto de las variaciones de los contenidos de humedad del suelo, sobre la transpiración: a medida que decrece la humedad del suelo y se aproxima al punto de marchitez permanente (1.5 MPa), la tasa de transpiración disminuye. Aunque la disponibilidad de agua en la interfase sueloraíz puede influir la transpiración directamente, es más probable que la disminución del potencial hídrico del suelo cause una disminución del potencial hídrico de la hoja y se produzca un aumento en la resistencia estomática (disminuye la conductividad), debido a la pérdida de turgor de las células guardianes y a un cierre de los estomas. La tasa transpiratoria disminuye por un aumento de la resistencia estomática. A medida que el suelo se seca, el potencial hídrico de la raíz disminuye, compensando —en parte— la disminución del potencial hídrico del suelo. De los factores ambientales, el que se correlaciona mejor con la transpiración es la radiación solar incidente, ya que tiene un efecto directo sobre la apertura estomática: muchos estomas se abren en presencia de la luz, lo que incrementa la transpiración. Otro factor importante es la temperatura. Si se analiza el curso diario de la transpiración, desde que sale el sol hasta que se pone, se observa que hay una correlación entre la radiación y la temperatura, las cuales presentan un aumento casi paralelo; sin embargo, la humedad relativa disminuye desde las horas de la mañana, hacia el 98

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mediodía, aumentando luego, en horas de la tarde, cuando declina la radiación solar y la temperatura disminuye (figura 17). La transpiración aumenta paralelamente a la radiación solar y a la temperatura, pero con cierto retraso; sin embargo, después del mediodía presenta sus valores máximos, disminuyendo a medida que aumenta la humedad relativa del aire, en las horas de la tarde. La transpiración es una función directa de la presión de vapor de agua en la superficie de las células del mesófilo. La temperatura del agua es el factor que controla la presión de vapor de agua. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión de vapor de una forma exponencial. La humedad relativa del aire es un factor importante de la transpiración, en relación a la temperatura del aire. La transpiración aumenta a medida que disminuye la humedad relativa del aire, a una temperatura dada, ya que la fuerza impulsora de la transpiración es la diferencia de presiones de vapor AP entre el agua de la hoja (P) y el agua en el aire (Po). Figura 17. Distribución de la energía solar incidente sobre una hoja verde

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

El viento puede aumentar la transpiración, reduciendo la capa de vapor de agua estacionario que se encuentra sobre la hoja, facilitando la difusión. Asimismo, el viento tiene un efecto refrigerante en la superficie foliar: si la hoja está más caliente que la masa de aire que pasa sobre ella, la hoja se enfría. En general, el viento causa 99

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un aumento en la transpiración. Si la masa de aire que se mueve sobre una hoja está cargada de humedad, la transpiración disminuye, pero si es aire seco, aumenta (figuras 18 y 19). Figura 18. Variación de la transpiración de una planta de girasol, en función de la humedad relativa del aire

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

Los factores físicos antes mencionados controlan la intensidad de la transpiración, modificando la velocidad del proceso físico de vaporización de agua. Pero las plantas han desarrollado sus propios mecanismos de control de la intensidad de la transpiración, los cuales les permiten, en cierta medida, contrarrestar el efecto de los factores puramente físicos.

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Figura 19. Variación de la transpiración de una planta de girasol, en función de la velocidad del viento

Velocidad del viento Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

Las vías de emisión del vapor de agua El análisis del control de la transpiración por las plantas debe empezar por una investigación precisa de las vías de emisión del vapor de agua a la atmósfera. La hoja es una de las partes más importantes de los vegetales, puesto que es la parte de la planta que está encargada de realizar la función clorofílica, así como la respiración y la transpiración vegetal. Hay muchos tipos de hojas que permiten distinguir unas plantas de otras, pero, esencialmente, toda hoja está formada por las partes siguientes: a) Limbo: es la parte ancha de la hoja. Es su parte más vistosa y lo que la mayoría de la gente entiende e identifica como hoja cuando se menciona tal nombre. Está formada por nervios, contorno, envés y haz. 101

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b) Pecíolo: es la parte de la hoja que une el limbo a la rama. Tiene forma de rabito y a través de él discurren los vasos conductores. Hay algunas hojas que no tienen pecíolo. Estas hojas sin peciolo se llaman sésiles. Entre las principales funciones que tienen las hojas son: a) Respiración. La respiración consiste en absorber oxígeno de la atmósfera y exhalar anhídrido carbónico. Esta función principalmente se da en la noche. Por eso, no debemos dormir con matas en las habitaciones, porque contaminan el aire. b) Transpiración. Se verifica en las plantas mediante las salidas del exceso de agua de las hojas por las estomas. Esta función se realiza en forma de pequeñas gotitas, las cuales aparecen en la superficie de las hojas. c) Función clorofílica. Consiste en absorber el anhídrido carbónico del aire, mediante la acción de la luz; luego lo descomponen y dejan libre el oxígeno. Esta función es de gran importancia y, además, es la vida de las plantas, pues gracias a ella y a la luz del sol, las hojas fabrican su alimento. Las plantas tienen tres tipos básicos de tejidos: • El tejido fundamental. Comprende la parte principal del cuerpo de la planta. Las células parenquimáticas (las más abundantes), colenquimáticas y esclerenquimáticas constituyen los tejidos fundamentales. • El tejido epidérmico. Cubre las superficies externas de las plantas herbáceas. Está compuesto por células epidérmicas, fuertemente unidas, que secretan una capa formada por cutina y ceras, llamada cutícula, la cual impide la pérdida de agua. En él se pueden observar estomas, tricomas y otro tipo de especializaciones. • El tejido vascular. Está compuesto por dos tejidos conductores: el xilema y el floema, los cuales transportan nutrientes, agua, hormonas y minerales dentro de la planta. El tejido vascular es complejo, incluye células del xilema, floema, parénquima, esclerénquima, y se origina a partir del cámbium. La epidermis, como una superficie externa, cubre todo el cuerpo de las plantas; es la encargada de la protección del cuerpo de la planta, la respiración, el pasaje de la luz, el reconocimiento de patógenos, etc. Externamente presenta una cutícula, la cual es una capa constituida por cutina y ceras (figuras 20 y 21); es delgada en plantas mesofíticas y acuáticas, y puede adquirir considerable espesor en las xerófilas, como 102

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protección contra la desecación. Es un tejido formado por una sola capa de células; algunas plantas presentan varias capas, denominándose epidermis pluriestratificada (ejemplo: hoja de Ficus sp.). La epidermis es un tejido complejo, formado por varios tipos de células: a) Células epidérmicas propiamente dichas. Son células vivas, alargadas en el mismo sentido de la lámina foliar, en vista superficial las paredes pueden ser onduladas o rectas. b) Aparatos estomáticos. Son pares de células especializadas en el intercambio gaseoso con el medio ambiente, a la vez que se encargan de regular la transpiración. Cada estoma está constituido por un par de células de forma arriñonada, llamadas células oclusivas; poseen núcleo y orgánulos celulares, como cloroplastos. Entre las dos células oclusivas hay un pequeño orificio llamado ostiolo. El estoma puede estar rodeado de células anexas, cuya cantidad y disposición determina el tipo de aparato estomático: anamocítico, paracítico, diacítico, anisocítico, tetracítico, etc. En las gramíneas y ciperáceas, las células oclusivas son halteriformes (forma de pesas de gimnasta), con dos células anexas laterales. c) Idioblastos. Células con cristales, sílice, mucílagos, gomas, células buliformes (encargadas de enrollar las hojas de gramíneas, ante la pérdida de agua), esclereidas en la epidermis de semillas, etcétera. d) Tricomas o pelos. Son apéndices epidérmicos. Varían ampliamente en su forma y función, siendo útiles en la clasificación taxonómica. Se distinguen numerosos tipos: • Glandulares. Secretan diferentes sustancias, como soluciones salinas (en plantas halófitas), azucaradas (néctar), gomas o mucílagos. Normalmente, presentan un pie y una cabezuela secretora. • Simples. Constituidos por una célula o una hilera de células. Ejm.: pelos de la semilla de algodón (erróneamente llamados fibras). • Ramificados, pluricelulares. Pueden ser estrellados o en forma de candelabro. • Escamas. Multicelulares y aplastados contra el órgano en el que se encuentran. Si presentan un pedúnculo, se llaman peltados (Olea, Tillandsia) y sirven en la absorción de agua a nivel foliar. • Emergencias. Incluyen tejidos subepidérmicos, originando estructuras de mayor tamaño. Entre ellas se encuentran los aguijones (rosa), pelos urticantes (urtica) y coléteres secretores ubicados en yemas.

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Los estomas forman parte de la epidermis. Dilatables, delimitan un orificio llamado ostiolo, el cual se abre cuando estos se hinchan con agua procedente de las células epidérmicas anexas. Hay numerosos tipos de estomas que se clasifican en función del número y disposición de las células anexas, las cuales pueden ser dos o más. También varía la forma de las células oclusivas, aunque menos. En dicotiledóneas, las células oclusivas son reniformes. Estas células, cuando absorben agua, se dilatan por todas partes, excepto en la zona endurecida que delimita el ostiolo, la cual, por tanto, se encorva, aumentando la superficie del orificio. En monocotiledóneas, lo más común es que las células anexas sean dos —intensamente asociadas con las oclusivas—, las cuales solo se dilatan en los polos, pues la pared lo impide en el resto del perímetro celular, de manera que no son reniformes, sino alargadas, y definen un ostiolo con forma más bien cuadrangular (figura 21). En gimnospermas, las células oclusivas quedan por debajo de las anexas —las cuales tienen una zona superficial muy gruesa y dura—, de forma que el ostiolo queda encriptado, hundido en la epidermis, lo cual hace más lenta la transpiración. Esta es una de las muchas adaptaciones de las coniferas a la sequedad. En algunos casos, más bien raros, las células oclusivas parecen no ir acompañadas de células anexas, sino que tienen aspecto independiente por debajo de la epidermis. Esto sucede en los estomas de la cebolla, y emparentados (Allium spp). Actualmente existe una clasificación según su origen y desarrollo. Las células protodérmicas sufren divisiones asimétricas: la célula más pequeña es la célula madre, la cual se divide, produciendo las células oclusivas; estas adquieren su forma característica al aumentar de tamaño. El ostiolo se forma por hinchamiento y posterior disolución de la laminilla media; la cámara subestomática, por agrandamiento de los espacios intercelulares del mesófilo. La posición de los estomas, por encima o debajo de la epidermis, tiene lugar por medio de ajustes espaciales. Se distinguen tres tipos de estomas, teniendo en cuenta el origen de todas las células que componen el aparato estomático: a) Estoma mesógeno. las células oclusivas y las células anexas se originan a partir de la misma célula, por tres divisiones sucesivas. Este tipo de estoma no se encuentra en monocotiledóneas. b) Estoma perígeno. La célula madre origina solo las células oclusivas. Las células anexas se originan de otras células protodérmicas. Se los ha registrado en especies de todos los grupos de plantas vasculares. c) Estoma mesoperígeno. La célula madre da origen a las células oclusivas y a una célula anexa, mientras las restantes se originan a partir de otras células protodérmicas. Estos estomas han sido hallados en todos los grupos de plantas vasculares. 104

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d) En hojas con venación paralela y en los entrenudos de especies articuladas de Chenopodiaceae, la secuencia de diferenciación de los estomas es basípeta, desde el extremo hacia la base. En cambio, en hojas con venación reticulada, no sigue un orden determinado, sino que ocurre en mosaico (figura 21). Figura 20. Complejo cuticular que recubre las epidermis de las partes aéreas de las plantas

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

La transpiración estomática La transpiración estomática se pone fácilmente de manifiesto con la ayuda de papeles impregnados con sales metálicas coloreadas que varían de color según su grado de hidratación. Por regla general, la densidad de estomas en la cara inferior de las hojas es mucho mayor que en la cara superior; no obstante, las densidades medias encontradas son muy diferentes de unas especies a otras (tabla 8). La morfología de los estomas se presenta en la figura 21. La difusión del vapor de agua a través de las aberturas estomáticas obedece a las mismas leyes que la difusión de otros gases. Particularmente, la cantidad de vapor de agua emitido a la atmósfera es proporcional al diámetro de los poros, y no a su superficie. Se obtiene una transpiración máxima cuando los poros se hallan separados unos de otros, en la superficie de la hoja, por una distancia de 20 diámetros, como promedio. En estas condiciones, no hay interferencia entre los gradientes de vapor de agua que se establecen alrededor de cada poro. 105

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Tabla 8. Distribución de los estomas en las dos caras de las hojas de diversas especies Especies Phaseolus vulgaris Ricinos communis Hedera helix Tropaeolum majus Pelargonium sp. Zea mais Avena sativa Helianthus annusss

Número promedio de estomas por mm2 Epidermis superior Epidermis inferior 40 281 64 176 0 158 0 130 19 59 52 68 25 23 85 156

Figura 21. Tipos diferentes de estomas

a-b, entre las dicotiledóneas; a, vista superficial; b, en sección según AB. cs= células estomáticas. o= ostiolo. e-d, entre las monocotiledóneas (por ejemplo, caña de azúcar); c, en vista superficial; d, en sección según AB. cc= células acompañantes de las células estomáticas. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976. 106

LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA PLANTA Y OTROS SERES VIVOS

Métodos de medida del grado de abertura de los estomas Existen ciertas técnicas estándar, como son: métodos gravimétricos, el cloruro de cobalto, medición del vapor de agua, métodos volumétricos y de conductancia estomática. a) Medición de peso de plantas en macetas. Se emplea en plantas que crecen en recipientes completamente cerrados. Se pesa la planta al comenzar la medición y luego se vuelve a pesar a intervalos de tiempo convenientes. La evaporación del suelo se previene, recubriéndolo con un material impermeable. Si se utiliza una maceta de cerámica, se debe impermeabilizar también. Se puede emplear con plantas pequeñas y aquellas que crecen en cultivos hidropónicos. Los resultados se expresan en gramos o mililitros de agua transpirada por superficie foliar, por unidad de tiempo. b) Cambios en el volumen de una solución o del agua. Se introduce una planta completa, o una rama que se ha introducido en un tapón —perforado— de goma o silicón, en un cilindro graduado, transparente, bien hermético, con un volumen conocido de agua. Después de cierto tiempo bajo condiciones de campo o de invernadero, se mide de nuevo el volumen y ése será el volumen de agua transpirado. Se determina el área foliar y se expresan los resultados en cm3 de H 2 0 x cm3 de superficie foliar x hora. c) Recolectar el agua transpirada. Introduciendo una rama en una bolsa transparente de plástico, la cual se ata al tallo. El agua transpirada se condensa en el interior de la bolsa, luego se mide el volumen de agua o se pesa la bolsa con el líquido. Los resultados se pueden expresar como en el caso anterior. d) Uso de cloruro de cobalto. La transpiración se indica por un cambio de color de un pedazo de papel de filtro impregnado con una solución a 3% de cloruro de cobalto, el cual se aplica sobre una hoja y se mantiene en posición con un clip. Cuando está seco, es de color azul, y cuando se humedece, rosado. La velocidad con que el papel cambia de color es un indicio de la velocidad de transpiración. Este método se puede utilizar para medir tasas relativas de transpiración de diferentes especies. e) De recipiente o potómetro. Este método se basa en la asunción de que la tasa de absorción de agua es casi igual a la tasa de transpiración. Es de utilidad para estudiar el efecto de los factores ambientales sobre la transpiración. Se utiliza en pedazos de ramas, tallos, hojas, etc., pero no en plantas completas. Un potómetro consiste en un depósito de agua en el que se introduce una rama, la cual previamente se ha introducido en un tapón de goma; todo debe 107

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

quedar perfectamente sellado al cilindro. Se conecta el recipiente de vidrio a un tubo capilar al que se le introduce una burbuja de aire, la cual actúa como indicador de la utilización de agua por transpiración. f) Método del analizador de gases en el infrarrojo (IRGA). Se basa en la absorción que presenta el vapor de agua en la zona infrarroja del espectro. Se mide la cantidad de vapor de agua antes de pasar sobre una hoja y después que ha pasado sobre ella. Una de las limitantes es que el órgano foliar se encierra en una cámara, lo que altera la tasa transpiratoria. g) Medida de la apertura estomática. • Réplica. Mediante este procedimiento se obtiene una réplica de la epidermis foliar, usando acetato de celulosa y pintura de uñas transparente, la cual se deja secar sobre la superficie foliar; luego se despega con una aguja o pinza de disección y se observa al microscopio. Se han utilizado con mucho éxito la silicona y la cinta adhesiva transparente. • Porometría. Permite determinar la conductividad estomática como un índice de la apertura y cierre de los estomas. Mide el flujo de gases o la difusión que se realiza a través de los estomas. Los porómetros más modernos permiten registros computarizados (figura 22). • Intercambio gaseoso. Se mide la tasa de transpiración de una hoja con un área superficial (s) en cm2, como la diferencia entre la tasa de vapor de agua que entra la cámara, y la que sale. sE = U W - U W 0

E= tasa de transpiración por unidad de área foliar (mol * m2 * s_1). U0 y U e = flujos molares de aire que entran y salen de la cámara. W0 We = fracciones molares de vapor de agua de la corriente de aire que entra y sale de la cámara. Después de algunos cálculos laboriosos, se puede calcular la conductancia estomática. Existen métodos por infiltración—dan, igualmente, resultados criticables—, donde los líquidos empleados son casi siempre apolares, con objeto de mojar la cutina y las ceras superficiales: son mezclas, en proporciones variables, de tipo glicerinaisobutanol, éter de petróleo-etanol (figura 23). En particular, estos métodos han puesto de manifiesto la existencia, en muchas plantas, de un ritmo circadiano de abertura y cierre de los estomas: el maíz, por ejemplo, abre progresivamente sus estomas con el día (figura 24). La apertura y cierre de los estomas, y, por ende, el intercambio gaseoso que se produce a través de 108

LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA PLANTA Y OTROS SERES VIVOS

poros, en condiciones adecuadas, ocurre de manera rítmica y está controlada por el reloj biológico. Este último es el responsable de las reorganizaciones que muestra el citoesqueleto de las células oclusivas de los estomas; las cuales, a su vez, provocan la apertura y cierre de los poros estomáticos. Por tanto, no es de extrañar que la asimilación del C0 2 atmosférico y, en algunas especies, parte del ciclo de Calvin estén controlados también por el reloj biológico; tal es el caso de Nerium oleander, donde los estomas permanecen bien abiertos desde las nueve de la mañana, hasta las cinco de la tarde. En todas las plantas los estomas se cierran de noche, y se puede determinar un cambio en el ritmo de abertura y cierre de los estomas, alterando la fotoperiodicidad normal del régimen lumínico suministrado a la planta. Figura 22. Un porótnetro muy sencillo

Al principio, se aspira el líquido mediante la trompa de vacío, cerrando la llave 1 y abriendo la 2. Luego, se corta el vacío (cerrando la llave 2) y se abre la llave 1: el gas se difunde a través de la lámina foliar y hace descender la columna de agua en el tubo. Cuanto más rápido descienda esta columna, más rápidamente difunde el aire; por tanto, más abiertos los estomas. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976. 109

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 23. Relación entre el índice de infiltración (medido experimentalmente) y la abertura de estomas de Senecio jacobea (medida bajo el microscopio)

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976. Figura 24. Ritmos circadianos de abertura y cierre de estomas en dos plantas

El maíz y Nerium oleander (A) han sido iluminados normalmente; Nerium oleander (B) ha sido colocado en la oscuridad, a partir de las 12 horas. Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976. 110

LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA PLANTA Y OTROS SERES VIVOS

Factores que regulan los movimientos de las células estomáticas La apertura y cierre estomático varían con un ritmo circadiano (día/noche). La luz, normalmente, induce, a través de una elevación del potencial hídrico, la apertura estomática (figura 25). La apertura estomática ocurre cuando disminuye la concentración de C0 2 en la célula guardián, como resultado de la fotosíntesis; mientras que se cierra al aumentar esta concentración, inclusive en presencia de luz. Las células guardianes son muy sensibles al estrés hídrico. Una pérdida —localizada— de la turgencia produce plasmólisis de las células guardianes y un cierre del estoma. Un aumento de la concentración de ácido abscícico (ABA), en condiciones de estrés hídrico, produce el cierre de los estomas y una disminución de la transpiración. La toxina fusicoccina, producida por el hongo Fusicoccum amygdali, provoca la apertura de los estomas y, por lo tanto, el marchitamiento. Esta toxina, probablemente, actúa activando la bomba de protones y la penetración de una fitotoxina de Bipolaris mayáis, la cual causa parálisis estomática. Figura 25. Efecto de la iluminación sobre la abertura de estomas de Pelargouium (el grado de abertura se sigue mediante un porómetro)

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

111

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

El contenido de anhídrido carbónico en la atmósfera controla —igualmente— muy directamente el grado de abertura de los estomas. Todo descenso en la concentración de C0 2 en la atmósfera provoca la abertura de los estomas. Inversamente, se ha podido demostrar que los estomas se cierran, incluso a plena luz, si la concentración de C0 2 en el aire es suficientemente elevada (por encima de 0.84%). Las células estomáticas poseen siempre cloroplastos y desarrollan una fotosíntesis muy activa. Existe, ciertamente, como se verá más abajo, interferencia entre la fotosíntesis originada por el elevado contenido de C0 2 en la atmósfera, y la separación de las células estomáticas. Finalmente, la temperatura influye sobre el grado de abertura de los estomas. A 25 °C se observa, generalmente, una abertura máxima. A temperaturas superiores, los estomas tienden a cerrarse. En condiciones naturales, los diversos factores antes mencionados tienden a actuar simultáneamente. Es el juego sutil de sus interacciones mutuas, el que controla la abertura de los estomas de una planta.

Mecanismos de abertura de los estomas Los estomas responden rápidamente a una iluminación con luz azul, la cual está localizada en la célula guardián. La luz es la señal ambiental que controla el movimiento de los estomas de las hojas de plantas bien irrigadas que crecen en un ambiente natural. El estoma se abre cuando la intensidad de la luz aumenta, y se cierra cuando disminuye. La apertura estomática y la fotosíntesis muestran paralelismo, responden a las radiaciones de longitud de onda de 400-700 nm. Los protoplastos de las células guardianes se hinchan cuando se iluminan con luz azul, indicando que la luz azul ejerce su estímulo en el interior de la célula guardián. La luz estimula la absorción de iones y la acumulación de solutos orgánicos, lo que disminuye el potencial osmótico (aumenta la presión osmótica). Esto resulta en el flujo de agua hacia dentro, lo que produce un aumento de la presión de turgencia y la apertura del estoma. La apertura estomática está asociada con la acumulación de potasio (K+), y el cierre a la disminución de sacarosa. La necesidad de una fase osmóticamente regulada, mediante una variación del contenido de potasio y sacarosa, no está muy clara. El ion potasio aumenta con la salida del sol. Los solutos osmóticamente activos que se presentan en las células guardianes se originan de la siguiente forma: • La acumulación de K+ y Cl- acoplada a la biosíntesis de malato2. • La producción de sacarosa mediante la hidrólisis de almidón. • La producción de sacarosa mediante fijación de C0 2 en los cloroplastos de las células guardianes. 112

LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA PLANTA Y OTROS SERES VIVOS

•

La acumulación de sacarosa apoplástica, generada por fotosíntesis de las células del mesófilo.

Durante el proceso de apertura estomática opera, en la membrana de la célula guardián una ATP-asa que bombea protones hacia la parte externa —o espacio apoplástico— que rodea la célula guardián, lo que genera un gradiente de potencial electroquímico que actúa como fuerza motora para la acumulación de iones. Esto provoca la entrada de iones K+ y Cl-, y la formación en la vacuola del anión orgánico malato2. El ion Cl" se acumula en la célula guardián durante la apertura estomática y se expulsa con el cierre del estoma. El anión orgánico malato2 disminuye durante el cierre del estoma. El cierre del estoma, hacia el atardecer, va acompañado de una disminución de sacarosa. La acumulación de solutos osmóticamente activos en las células guardianes provoca la acumulación de agua, un aumento en la presión de turgencia y, finalmente, la apertura del estoma. La sustancia receptora de la luz azul en la célula guardián es un carotenoide cloroplástico: la zeaxantina. La enzima que permite la transformación reversible de la sacarosa en almidón es específica de las células estomáticas: una fosforilasa particularmente sensible a las variaciones de pH. A pH bajos (cuando el contenido en C0 2 de la atmósfera es elevado y se acumula ácido carbónico en las células), la fosforilasa hidroliza muy activamente el almidón. A pH más elevados, se produce lo inverso. Las reacciones bioquímicas que se desarrollan en el interior de las células estomáticas son todavía parcialmente conocidas. El ciclo de fijación del anhídrido carbónico, a la luz, difiere sensiblemente del ciclo clásico, y los ácidos orgánicos, tales como el ácido glioxílico, podrían desempeñar un papel importante en el metabolismo de las células estomáticas.

La adaptación de las plantas a la falta de agua La característica fisiológica más resaltante de los estomas es que se abren en respuesta a la luz y se cierran en la oscuridad. Podemos describir el curso de la apertura estomática, la cual ocurre normalmente después de 30 minutos del comienzo de la iluminación, con una apertura total. Durante el resto del día permanecen abiertos, cerrando hacia el final de la tarde y permanecen cerrados en la noche. Sin embargo no es de extrañar que ocurra el cierre al mediodía, si las plantas muestran estrés hídrico. El cierre al mediodía se debe al colapso de las células guardianes cuando 113

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

se marchitan las hojas. Al final de la tarde, los estomas vuelven a abrir si el balance hídrico es positivo (cuando predomina la absorción de agua sobre la transpiración). En periodos de oscuridad completa, los estomas se cierran. Un caso particular lo constituyen las plantas suculentas, las cuales se desvían de las normales. Las suculentas, en general, cierran los estomas de día y los abren de noche. En algunas cactáceas, los estomas se abren durante todo el periodo oscuro y se cierran en el día. En otras, como el Kalanchoe, los estomas se abren de noche y hacia el final del periodo diurno, pero se cierran en la mañana. En las suculentas, la apertura nocturna de los estomas está relacionada con la fijación de C0 2 y la síntesis de ácidos orgánicos. Estas plantas presentan metabolismo ácido de crasuláceas (MAC O CAM). Los estomas abren de noche cuando las pérdidas de agua son mínimas, de tal forma que la absorción de C0 2 se realiza con mínima pérdida de agua. En el periodo luminoso diurno, al estar cerrados los estomas, se minimiza la pérdida de agua y la fotosíntesis procede, debido a la generación interna de C0 2 , por descarboxilación de ácido málico. Algunos ejemplos pueden ilustrar la afirmación de que las plantas suculentas presentan una relación transpiratoria baja, la cual está en el orden de 50 a 150 gramos de agua transpirada por gramo de C0 2 fijado. Las plantas C3 pueden tener relaciones transpiratorias de mil; mientras que en las plantas con metabolismo C4, está en alrededor de 500. Ciertas modificaciones anatómicas que desarrollan las hojas limitan la transpiración; estas incluyen: reducción del área foliar, disminución del área superficial por unidad de masa —dando lugar a hojas carnosas y suculentas—, y una variedad de modificaciones encontradas en plantas que crecen en ambientes xerofíticos; se pueden mencionar: estomas hundidos en la superficie foliar, reducción del número y tamaño de los estomas, y la presencia de pelos epidérmicos. Muchas plantas que habitan en sitios secos desarrollan caracteres xeromorfos que están relacionados con la reducción de la transpiración, como son: cutícula gruesa, cutinización fuerte de las paredes de las células epidérmicas, aposición de ceras o resinas sobre la cutícula, alta densidad de tricomas o pelos muertos, estomas generalmente hundidos en la epidermis, desarrollo notable del parénquima en empalizada y de los tejidos mecánicos, especialmente el esclerénquima (figura 26). En ciertas especies, como Nerium oleander, Espeletia timotensis, Capparis indica, etc., los estomas se encuentran en depresiones llamadas criptas, revestidas por pelos, constituyendo cámaras de vapor de agua que limitan la transpiración bajo condiciones de turbulencia. Ciertas xerófitas presentan hojas transformadas en espinas, las cuales reducen la superficie transpiratoria. Algunas plantas como Hinterhubera imbricata, enrollan la hoja hacia el envés, creando una cámara de vapor de agua sobre los estomas que disminuye la transpiración. Asimismo, algunas gramíneas poseen, en la 114

LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA PLANTA Y OTROS SERES VIVOS

epidermis del haz, células buliformes que, por cambios en la presión de turgencia, permiten que la hoja se enrolle, disminuyendo la transpiración. Figura 26. Estoma alojado en una cavidad de la hoja de Dasylirion spp

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

Una situación ecológica aunada a lo anterior es con las plantas que crecen en suelos costeros (halófitas) profundamente regados por agua de mar; estas han tenido que diferenciar mecanismos fisiológicos que les permitan bombear agua de un medio externo con muy alta presión osmótica. Las plantas halófilas (o halófitas) deben, desde luego, hacer frente a la entrada de los iones Cl- y Na+ en cantidad considerable; la tolerancia frente a estos iones es el primer factor responsable de la supervivencia de ciertas plantas en las zonas costeras con suelo embebido en agua de mar. Por otro lado, la presión osmótica interna de las células de las plantas halófilas es bastante más elevada que la de las especies no halófilas. La tabla 9 muestra algunos ejemplos. Las 115

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

plantas halófilas son, a menudo, suculentas, lo que indica una convergencia evolutiva remarcable con las xerófitas, con vistas a la resistencia a la desecación en situaciones ecológicas muy diferentes. Tabla 9. Presiones osmóticas medias de células de algunas especies halófilas o no halófilas Plantas halófilas Salicornia europaea Spartinia patens

Presión osmótica (en atmósferas)

Triglochin marítima Glaux marítima

24.6 14.6 Presión osmótica (en atmósferas)

Plantas no halófilas

39.7 20.9

Caladium sp. Rhoeo sp. Remolacha

8 12 21

Fuente: Mazliak y Cañadell, 1976.

gutación

Cuando el aire y el suelo están cargados de humedad y, por tanto, la transpiración es muy poco intensa, las plantas exudan, a menudo, agua por unos poros situados en los bordes de sus hojas. Estos poros son los hidátodos y el fenómeno fisiológico descrito es la gutación, la cual se observa fácilmente en las plantas cultivadas en invernadero. La gutación permite una circulación del agua a través del organismo vegetal en aquellas condiciones en que no existe demanda de agua creada por la transpiración. Las cantidades de agua desprendidas por gutación son, a menudo, considerables: una hoja gigante de la planta india Colocasia antiquorum puede, de dicha forma, perder 200 ml de agua por día. En conclusión de este capítulo de estudio acerca de las interrelaciones entre el agua y las plantas, se puede constatar que no se puede concebir la vida sin la presencia de agua. Es el líquido conocido más común y extraordinario. A pesar de que el agua es la molécula más abundante en la superficie terrestre, su disponibilidad es el factor que más limita la productividad vegetal en la tierra, en una escala global. La poca disponibilidad de agua limita la productividad de los ecosistemas terrestres, 116

LA IMPORTANCIA DEL AGUA EN LA PLANTA Y OTROS SERES VIVOS

principalmente en climas secos. En las plantas, el agua cumple múltiples funciones. Las células deben tener contacto directo o indirecto con el agua, ya que casi todas las reacciones químicas celulares tienen lugar en un medio acuoso. Para que un tejido funcione normalmente, requiere estar saturado con agua, manteniendo las células turgentes. Todas las sustancias que penetran en las células vegetales deben estar disueltás, ya que en las soluciones se efectúa el intercambio entre células, órganos y tejidos. El agua, como componente del citoplasma vivo, participa en el metabolismo y en todos los procesos bioquímicos. Una disminución del contenido hídrico va acompañada de una pérdida de turgencia, marchitamiento y disminución del alargamiento celular, se cierran los estomas, se reducen la fotosíntesis y la respiración, y se interfieren varios procesos metabólicos básicos. La deshidratación continuada ocasiona la desorganización del protoplasma y la muerte de muchos organismos.

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6 El agua de riego Calidad del agua de riego

ara determinar la conveniencia o la limitación del agua que se pretende utilizar con fines de riego, deben tomarse en cuenta: la composición química de esta; la tolerancia de los cultivos a las sales; las propiedades físicas y químicas de los suelos; las prácticas de manejo de suelos, aguas y cultivos; las condiciones climatológicas; el método de riego por emplear, y las condiciones de drenaje interno y superficial del suelo. En la actualidad, la calidad del agua se define, exclusivamente, con base en sus características químicas; pero esto dependerá de la experiencia que tenga el analista, lo que hace necesaria una clasificación más adecuada en función de otras características, como las que se mencionan en este párrafo. En el intento de clasificar químicamente el agua de riego, se han generado ocho índices, los cuales conjuntaron Palacios y Aceves (1970). Esta clasificación es la más aproximada a la hecha en Riverside. Los criterios que se proponen en la presente clasificación del agua para riego son: Tabla 10. Criterios del agua para riego Criterios Contenido de sales solubles

Efecto probable del sodio en el suelo sobre las propiedades físicas del mismo

índices Conductividad eléctrica Salinidad efectiva Salinidad potencial Relación absorción sodio Carbonato de sodio residual Por ciento de sodio posible

Símbolos CE SE SP RAS CSR PSP

Continúa... 119

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

...continuación

Contenido de elementos tóxicos para plantas

Contenido de boro Contenido de cloruros

Bo Cl

Contenido de sales solubles En muchas de las zonas áridas del mundo existen grandes almacenamientos de agua que no se utilizan para riego debido a su alto contenido de sales, capaz de producir salinización del suelo, con los consiguientes efectos dañinos sobre el desarrollo de las plantas. Sin embargo, es bueno mencionar que cualquiera que sea la fuente de agua para riego, esta se obtiene con cierta cantidad de sales solubles y solo es cuestión de tiempo para que la salinidad se incremente, a no ser que se tomen medidas preventivas, ya que el agua de riego no es otra cosa que una solución que, cuando entra en contacto con el suelo, y durante su paso, genera una serie de reacciones físicoquímicas. Este fenómeno está bajo la denominación desplazamiento de mezclas, lo cual es un proceso universal mediante el que un líquido desplaza a otro, y ocurre de manera permanente, en tiempo y espacio, sin que sea detectado. El efecto nocivo de las sales solubles, se debe a que producen presiones osmóticas en la solución del suelo que está en contacto con las raíces de la planta, las cuales, al pasar ciertos valores, producen una disminución en los rendimientos o pérdida total de las cosechas. Estos efectos son diferentes para cada cultivo en distintas etapas de desarrollo. Para calcular el contenido de sales solubles en el agua de riego, y sus posibles efectos sobre los cultivos, se tienen los siguientes índices: a) Conductividad eléctrica. Generalmente, se expresa en microomhs por centímetro a 25 °C (CE*10 6 ). La conductividad eléctrica es una medida indirecta del contenido de sales disueltas en el agua y es muy utilizada debido a que las determinaciones se pueden hacer rápidamente, con bastante precisión. Se mide con cualquier Puente de Wheatstone de corriente alterna. Una ventaja de utilizar esta medida es que se pueden establecer correlaciones con potenciales osmóticos. b) Salinidad efectiva. Esta es una estimación más real del peligro que presentan las sales solubles del agua de riego al pasar a formar parte de la solución del suelo, pues considera la precipitación ulterior de las sales menos solubles (carbonatos de calcio y sulfates de calcio), las cuales dejan de participar en la presión osmótica de la solución del suelo. c) Salinidad potencial. Cuando la humedad aprovechable de un suelo es menor de 50%, las últimas sales que quedan en la solución son cloruros y sulfatos. La salinidad potencial es un índice para calcular el peligro de estas, las cuales aumentan la presión osmótica. 120

EL AGUA DE RIEGO

Efecto probable del sodio sobre

las propiedades físicas del suelo

a) Relación absorción de sodio (RAS): Este índice es sencillo de calcular, y además, está correlacionado con el por ciento de sodio intercambiable (grado de saturación del complejo de intercambio del suelo con el Na) que tendrá el suelo una vez que se equilibre con el agua. La RAS se calcula considerando el sodio sobre la raíz cúbica de Ca, más Mg sobre dos; en la que Na, Ca y Mg están dados en me/1, y los valores de la RAS en (me/1)1/2. b) Carbonato de sodio residual (CSR): Cuando en el agua de riego el contenido de carbonates y bicarbonatos es mayor que el de Ca y Mg, existe la posibilidad que se formen carbonates de Na, debido a que, por su alta solubilidad, pueden permanecer en solución aún después que han precipitado los carbonates de Ca y Mg. En estas condiciones, la concentración total y relativa del Na puede ser suficiente para desplazar al Ca y Mg del complejo de intercambio, produciéndose la defloculación del suelo. c) Por ciento de sodio posible. El peligro del desplazamiento del Ca y del Mg por el Na, en el complejo de intercambio, empieza cuando el contenido de Na en la solución representa más de 50% de los cationes disueltos.

Contenido de los elementos tóxicos por las plantas Dentro de los elementos que contienen en solución las aguas de riego, existen algunos que, independientemente de los efectos anteriores, son tóxicos para las plantas, aun en pequeñas cantidades. Los que más se presentan son: boro, litio, ion cloruro y sodio. Aunque los efectos de estos dos últimos no han sido muy bien estudiados en plantas C3.

Interpretación en conjunto de los índices de los diferentes criterios para clasificar el agua para riego El daño causado a los cultivos por empleo de aguas salinas se debe a causas complejas, entre las que destacan las siguientes: 1) Alta concentración de sales solubles. 2) Naturaleza de las sales. 3) Valores altos de la relación de absorción de sodio (RAS). 4) Lluvia. 121

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

5) Aplicación de una cantidad de agua insuficiente para efectuar el lavado. 6) Relación del bicarbonato con respecto al Ca y el Mg. La composición y concentración del agua de riego puede producir cambios significativos en la composición de la solución del suelo; esto, a su vez, afecta la composición de la fase absorbida, produciendo cambios en la geometría de los poros, debido a su expansión y a la dispersión de las arcillas, dando como consecuencia una disminución en la conductividad hidráulica. Para el caso de la arcilla saturada con Na, la presión de expansión es función del contenido de humedad y cada cristal de arcilla se comporta como una unidad simple e independiente. Cuando se usa Ca, se puede apreciar una estructura en paquetes formados por varias unidades cristalinas; de esta manera, en el sistema Ca-arcilla se reduce la superficie activa interactuante, disminuyéndose la expansión a una escala macroscópica. También se ha demostrado que la expansión del sistema Ca-arcilla no es afectada por la adición de una pequeña cantidad de Na intercambiable, y que su efecto no alcanza a perjudicar la conductividad de las arcillas a bajos porcentajes de Na, en la doble capa difusa. La dispersión de las partículas de arcilla es otra causa de la reducción en la conductividad hidráulica, debido a que, al producirse un desarreglo, hay bloqueo de los poros a través de los cuales se produce el flujo. La permeabilidad de un suelo, en equilibrio con el agua de riego de una calidad específica, está determinada por la concentración de electrolitos o por los cationes intercambiables en el complejo. Lo anterior está establecido utilizando muestras con sistemas homoiónicos, usando muestras saturadas de Ca, Mg, Na y K; donde los suelos estaban saturados con Ca y Mg no se presentó cambio alguno, en cambio, los otros disminuyeron considerablemente la permeabilidad. En sistemas heteroiónicos el aumento de la concentración de los electrolitos en la solución del suelo produce mayores velocidades de flujo. Asimismo, está establecido que es posible mantener la permeabilidad de un suelo, independientemente de su grado de saturación por sodio, usando soluciones de electrolitos lo suficientemente concentradas. Con el objeto de lograr una mayor comprensión de la relación agua-suelo, se abordará el tema del suelo, en el que se incluyen algunas propiedades físicas y químicas.

122

7 Suelo

un cuando puedan hallarse conceptos y puntos de vista variables sobre este importante producto natural, para nuestros fines en este documento, definiremos suelo como un cuerpo natural, producto de fuerzas desmineralizadoras y microbianas de los residuos orgánicos de la formación de productos minerales, tales como las arcillas, y del desarrollo de ciertas capas características, como: 1) Suelo superficial. Zona de máxima acumulación orgánica. Coincide, más o menos, exactamente, con la capa arable. 2) Subsuelo. Su carácter está determinado, en grado, por la naturaleza de las fuerzas formadoras del suelo. 3) Substrato. Más o menos meteorizado, en general.

El suelo, físicamente, está formado por una parte mineral y otra orgánica. La primera proviene de la génesis a partir de la roca madre, los elementos de sedimentación, etc. La parte orgánica proviene de los distintos deshechos de los organismos vivos, los cuales son transformados por los microorganismos que posee naturalmente el suelo. La flora edáfica, las bacterias, los actinomicetes, los hongos y las algas constituyen los microorganismos del suelo que aportan un porcentaje de material orgánico una vez muertos, aunque su principal función es actuar sobre la materia orgánica en general, mediante los procesos de mineralización y humificación. Donde la primera es la descomposición de residuos orgánicos en fosfato y sales potásicas, NH4, agua y C0 2 . La humificación es también la descomposición de residuos orgánicos, pero más lenta, originando productos más complejos, los cuales se caracterizan más estabilidad (humus); es decir, se degradan en una mineralización más lenta. 123

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

La definición que se acaba de dar nos conduce, lógicamente, a que los suelos constan de cinco componentes: materias minerales, materia orgánica, agua, C0 2 (por efecto de la actividad metabólica de la flora edáfica, principalmente) y aire. En suelos agrícolas, del total de las aportaciones orgánicas, 70% se mineraliza rápidamente en dos años y 30% se humifica, incorporándose a la estructura del suelo.

Propiedades físicas y químicas del suelo La unidad de estudio en los suelos es el perfil de las capas llamadas horizontes. La forma en que están dispuestas y el material que las constituyen, afectan tanto al crecimiento de la raíz, como al movimiento y retención del agua en el suelo.

Propiedades

físicas

Entre las más importantes figuran: textura, estructura, color, densidad aparente, densidad real, porosidad, distribución de poros por tamaño, infiltración, permeabilidad y conductividad eléctrica. • Textura. Está relacionada con el tamaño de las partículas minerales. Específicamente, se refiere a la proporción relativa de los varios grupos de partículas de un suelo dado (arena-limo-arcilla). • Estructura. Es la disposición de las partículas del suelo en grupos agregados. La estructura atañe la penetración del agua, el drenaje, la aeración y el desarrollo de raíces, afectando la productividad del suelo y las facilidades de labranza. • Color. El humus formado posee una relación carbono/nitrógeno (C/N) aproximadamente igual a 10; es de color oscuro o negro, y tiene carácter coloidal. La relación C/N (carbono-nitrógeno) nos indica cuántos gramos de C existen por 1 gr de N en el suelo. Este dato aportado es importantísimo, pues, para desplegar la actividad metabólica de los microorganismos, es necesario que exista una buena proporción de N (por un gramo de N existen 50 grs de C). Por arriba de 30-50% se considera un suelo donde el N es inmovilizable. Entre 15-30% se puede observar una actividad microbiana, pero no una liberación de compuestos nitrogenados. Cuando la relación es por debajo de 15%, se da una liberación de N, debido a la actividad de microorganismos; de tal manera, la planta puede tomar compuestos nitrogenados solubles. 124

SUELO

• Densidad aparente. Corresponde a una medida del peso del suelo, según la densidad de las partículas que lo constituyan; es decir, la masa (o peso) de una unidad de volumen de sólidos del suelo. Entre más pesado sea el suelo, el contenido de material orgánico es menor. • Densidad real. Se refiere al peso del suelo en seco y al volumen de sus partículas. • Porosidad. Es la proporción ocupada por aire y agua. • Infiltración. Es la entrada de agua en el suelo en una unidad de tiempo. • Permeabilidad. Es la facilidad con que el suelo conduce o transmite los fluidos. Es la propiedad del espacio poroso. • Conductividad hidráulica. Es la facilidad con que permite el flujo del agua, según el gradiente.

Propiedades

químicas

Son consideradas: la capacidad de intercambio catiónico (CIC), el pH y la conductividad eléctrica (CE). • Capacidad de intercambio catiónico. El suelo está constituido por coloides minerales y orgánicos, los cuales absorben aniones y cationes, respectivamente. Estos cationes están en continuo movimiento entre los coloides y la solución del suelo, intercambiándose continuamente. Entre los cationes más comúnmente "cambiables" están: H, Ca, Mg, K y Na. Por ejemplo, cuando el NaCl se disuelve en una solución del suelo, otro catión como el K, puede reemplazar al Na para dar KC1; de la misma manera sucede en el suelo. Las cargas eléctricas de los coloides llegan a un equilibrio electrostático con las cargas de los iones. La suma de las partículas coloidales del suelo, el cual tiene este comportamiento de absorción de cationes, recibe el nombre de complejo absorbente. Entre más alto sea el contenido de arcillas y de humus en el suelo, mayor será el intercambio. • pH. En una solución ácida, la concentración de H es por arriba de iones OH. En una solución alcalina, la concentración de OH es por arriba de iones H. Menor de 7 (en base a la escala de pH) es ácida; mayor de 7 es alcalina. Para medir esta característica se usa el pH. Para los suelos que tienden a ser alcalinos no se recomiendan grandes cantidades de nitrato N0 3 , pues es una sal aniónica y al aplicarse en suelos alcalinos y ser absorbida por las raíces (como otros aniones), el intercambio es acompañado de una liberación de OH y una toma de H para mantener el balance de cargas. Los pH altos repercuten en la insolubilidad 125

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

de micronutrientes catiónicos, como el Fe+3, ya que al asociarse con grupos hidroxilos se forma un precipitado oxidado hidratado metálico. Como fuente de nitrógeno se recomienda fosfato de amonio monobásico NH4H2P04, ya que la absorción de amonio y otros cationes hacia la raíz es acompañada de una liberación de H hacia el suelo (por la raíz), repercutiendo en la baja del pH del mismo. Además, hay que recordar que el N0 3 es un anión, y este no es retenido en el sistema coloidal por tener cargas negativas —tanto el N0 3 como las arcillas—, provocando una lixiviación y, posteriormente, una eutroficación. • Conductividad eléctrica. Se refiere a la concentración de sales en el suelo, usualmente se recomienda medirla en extracto de saturación del suelo obtenido en la zona radical activa.

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8 Clasificación de suelos con base en salinidad y sodicidad

odos los suelos contienen sales de varios tipos y en diferentes cantidades, ya que son esenciales para el crecimiento normal de las plantas. Sin embargo, los problemas surgen cuando rebasan ciertos límites de concentración salina. Los suelos salinos son típicos de las regiones áridas y semiáridas, donde las sales solubles se acumulan en el horizonte o zona de acumulación de material orgánica. Estas sales están constituidas por mezclas de iones de Na, Cl, Mg, Ca y sulfatos, siendo dominante el primero, cuya acumulación de sales solubles ocasiona daños en el desarrollo de las plantas, en la calidad de cultivo o el rendimiento. Alrededor de 30% de los terrenos irrigados en el mundo tienen problemas de salinidad. La terminología concerniente a suelos afectados por sales no es uniforme y en ocasiones resulta confusa. Algunos autores llaman a los suelos halomórficos, suelos álcalis. En cambio, otros hacen diferenciación entre suelos salinos (afectados únicamente por sales) y suelos álcalis (afectados por un alto porcentaje de Na intercambiable). Como el término álcali parece tener muchos significativos —ya que dicho efecto puede ser causado por múltiples factores—, el nombre de suelos sódicos, en lugar de suelos álcalis, parece ser preferible. Existe otra clasificación, donde los suelos salinos son aquellos que contienen sales arriba de 0.1% del peso del suelo seco. Otra es considerando que el nivel crítico de salinidad para las plantas es de 0.5%, calculando también con base en peso del suelo seco. Estas dos últimas definiciones son arbitrarias y no hacen mención a la actividad de los iones, la cual varía de acuerdo con el suelo y a las condiciones de humedad.

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LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Desde el punto de vista de la pedología, se han distinguido tres tipos de suelos salinos: 1) Solonchak primario. Son suelos de regiones áridas, en los que el desarrollo del perfil es pobre y son deficientes en materia orgánica. 2) Solonchak secundario. Son suelos con un perfil desarrollado, los cuales son afectados por salinidad únicamente en una etapa tardía de su formación. Este tipo de suelo puede estar sobrepuesto a cualquier tipo de suelo regional. 3) Solonchak oculto. Aquellos suelos de las regiones áridas y semiáridas en los que las sales se han acumulado en el subsuelo, formando un horizonte típico de sal en el perfil. Los horizontes o zonas superiores de tales suelos están libres de sales. La clasificación más usual, debido a su aplicación práctica, y basada en las propiedades químicas, es la elaborada por el grupo de investigadores del laboratorio de salinidad de Riverside, California, de Estados Unidos. Esta clasificación únicamente consideró dos parámetros: la conductividad eléctrica (CE) y el por ciento de Na intercambiable (PSI), generando tres tipos de suelos: 1) Suelos salinos no sódicos. Aquellos cuya CE del extracto de saturación es mayor de 4 momhs/cm a 25 °C con un PSI menor de 15. Generalmente, la reacción del suelo es menor de 8.5. Las características químicas de los suelos salinos quedan determinadas, principalmente, por el tipo y cantidad de sales presentes. 2) Suelos sódicos no salinos. Aquellos cuyo PSI es mayor a 15% y la CE es menor de 4 momhs/cm a 25 °C. El pH varía, generalmente, de 8.5 a 10.00. 3) Suelos salinos-sódicos. Aquellos cuya CE es mayor de 4 momhs/cm a 25 °C y el PSI es mayor de 15%. Este tipo de suelos se forma como resultado de procesos de salinización y acumulación de Na. Siempre que contengan un exceso de sales, su apariencia y propiedades son similares a los suelos salinos no sódicos.

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9 Absorción y traslado de solutos inorgánicos

a naturaleza provee de muchos elementos químicos, algunos de ellos son esenciales, pero otros no, e inclusive algunos pueden ser tóxicos (Hg, Al, Ag, etc.). El crecimiento y desarrollo normal de los vegetales está determinado por la disponibilidad de ciertos elementos químicos para el metabolismo de las plantas. Experimentalmente se han comprendido y desarrollado diversas técnicas para detectar los comportamientos de algunos elementos. El cultivo en hidroponia permite calcular los distintos nutrientes utilizados por las plantas y, además, establecer principios básicos de la nutrición mineral. Los macronutrientes primarios y secundarios, y los micronutrientes (aniones: nitratos (N0 3 ), sulfatos (S0 4 ), bicarbonatos (C03H), fosfatos (P04H), cloruros Cl; cationes: hidrógeno (H), calcio (Ca), magnesio (Mg), potasio (K), amonio (NH4), sodio (Na), los cuales en conjunto, se denominan iones] al entrar en contacto con el agua, se disocian y absorben en sus partes conformantes los coloides orgánicos (humus + cationes) e inorgánicos (arcillas + aniones). Las sales se pueden encontrar de la siguiente forma: En la solución del suelo. En donde son fácilmente asimiladas por las plantas. La solución del suelo es el principal proveedor de iones. En los coloides que forma el suelo. Los iones se encuentran absorbidos por las atracciones eléctricas de los coloides orgánicos e inorgánicos y por las cargas de los distintos iones. 1) Coloides orgánicos. Son el humus y demás sustancias orgánicas. Estos poseen cargas negativas, absorbiendo, entonces, cationes que posean carga positiva. 2) Coloides inorgánicos. También considerados coloides minerales. Están constituidos por las micelas de las distintas arcillas (caolinitas) y por las partículas de óxidos de Fe y Al. 129

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Las plantas utilizan los iones que se hallan en la solución acuosa del suelo y los absorbidos en la superficie de las partículas coloidales. Asimismo, aprovechan con mayor facilidad los iones de las soluciones edáficas. En cambio, los adsorbidos por los coloides serán más difíciles de un aprovechamiento directo, siendo intercambiables en la solución. El agua del suelo —la cual ocupa los microporos de la estructura del mismo— contiene, en disolución, los distintos aniones y cationes provenientes de la disociación de las sales formadas. El agua, con sus sales disueltas, constituye la solución del suelo, la cual rodea al material edáfico, disolviendo las sales que contiene y rodeando, además, al sistema radical, por el cual las plantas absorben los principales nutrientes básicos (excepto el carbono y el oxígeno, los cuales extraen de la atmósfera circundante). Los principales aniones para las plantas son: Nitratos (NO3-) Sulfates (S04=) Bicarbonatos (C03H-) Asociados con coloides orgánicos Fosfatos (P04H-) Cloruros (Cl-) Los principales cationes para las plantas son: Aluminio (Al+++) Hidrógeno (H+) Bario (Ba++) Estroncio (Sr++) Calcio (Ca++) Asociados con coloides inorgánicos Magnesio (Mg++) Potasio (K+) Amonio (NH4+) Sodio (Na+) ++++ Litio (Li+) Capacidad de retención por los coloides Serie liotrópica Las sales nutritivas en el suelo, al entrar en la solución, tienden a disociarse en sus partes conformantes: los aniones de carga negativa y los cationes de carga positiva. Los aniones serán absorbidos por coloides minerales y los cationes por coloides orgánicos. 130

ABSORCIÓN Y TRASLADO DE SOLUTOS INORGÁNICOS

El orden en que se establecieron los principales cationes para las plantas constituye lo que se llama serie liotrópica de los cationes; lo que significa el ordenamiento de estos cationes según la fuerza con que se pueden unir a los coloides del suelo; o, mejor dicho, indicando, de alguna manera, la mayor probabilidad de intercambio de la solución del suelo con aquellos cationes que estén menos fuertemente unidos. Para el caso de los aniones, estos se destacan por su fácil permeabilidad; no así los fosfatos, los cuales, en suelos alcalinos (pH alto), precipitan en forma de fosfatos de Ca y Mg, y en suelos ácidos (pH bajo), son fijados por caolinitas, y en forma de óxidos hidratados de He y Al. No obstante lo anterior, la forma tradicional en que se proporcionan nutrientes a las plantas es a través del uso de fertilizantes simples o compuestos, los cuales presentan en el agua características muy propias. A continuación se presenta la solubilidad en agua de los principales compuestos (fertilizantes) que se utilizan para nutrir a los cultivos: • • • • •

Todos los nitratos son solubles. Todos los cloruros, bromuros y yoduros son solubles. Todos los sulfates son poco solubles, como los de Ca, principalmente. La mayoría de las sales de Na, K, y NH4 son solubles. Todos los hidróxidos son insolubles, excepto los de los elementos alcalinos, como NH4. • El Hidróxido de Ca es poco soluble. • Todos los carbonates y fosfatos son insolubles, excepto los carbonates de Ca son solubles. • Todos los sulfates son insolubles.

Cinco etapas de absorción de los nutrientes En el proceso de absorción de los nutrientes se distinguen cinco etapas: 1) Intercambio de iones entre las micelas y la solución salina del suelo. 2) Intercambio de iones entre la raíz y el suelo. 3) Intercambio de iones y cationes entre la pared celular y el plasma celular. 4) Transporte activo y pasivo de los iones a través de la membrana. 5) Traslado y distribución de las sales inorgánicas mediante el ascenso del agua (modelo de la presión radical; modelo de la imbibición y capilaridad, y modelo cohesión-tensión-transpiratoria). 131

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Intercambio de iones entre las micelas y la solución salina del suelo En la superficie de las micelas se encuentran absorbidos los distintos cationes. La fuerza con que están absorbidos depende del tipo de catión (determinando la serie liotrópica; es decir, masa molecular y radio iónico hidratado: H> Ca> Mg> K> NH4> Na), indicando, de alguna manera, la mayor probabilidad de intercambio de la solución del suelo con aquellos cationes que estén menos fuertemente unidos. Esta etapa constituye lo que también se llama: absorción de la interfase micela-solución del suelo. La solución del suelo va tomando los iones de las micelas, hasta llegar a un equilibrio. Las plantas que van absorbiendo los nutrientes necesarios de la solución del suelo hacen que este proceso sea dinámico, pues el equilibrio se va desplazando continuamente, llegándose, en algún momento, a la carencia de algunos de los elementos, siendo necesaria la fertilización.

Intercambio de iones entre la raíz Este intercambio que realiza la raíz puede hacerlo de dos maneras: a) Directamente, por contacto entre raíz y suelo. b) Indirectamente, a través de la solución del suelo. El intercambio directo. Se produce entre los iones de la superficie de la raíz y los iones absorbidos en las micelas. Los iones están sorbidos electrostáticamente en las partículas sólidas (unión electrostática). Los iones no están duramente fijados, sino que tienen una oscilación especial: oscilan en un determinado espacio, dependiendo del ion en sí y de la temperatura (a mayor temperatura, mayor será el grado de oscilación). Cuando un ion se encuentra muy cerca de otro se pueden superponer sus espacios de oscilación, produciéndose un intercambio entre los iones de las distintas partículas que los tenían absorbidos. De allí la posibilidad del intercambio entre la raíz y el suelo por contacto directo (figura 27).

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ABSORCIÓN Y TRASLADO DE SOLUTOS INORGÁNICOS

Figura 27. Intercambio iónico por contacto

a) No se produce intercambio porque no coinciden las oscilaciones iónicas; b) intercambio iónico por superposición de las oscilaciones.

El intercambio indirecto. Cuando las raíces de la planta producen C0 2 (deshecho del proceso metabólico y de la respiración), este, al encontrarse con el agua, reacciona, transformándose en ácido carbónico. El ácido carbónico tiende a disociarse, eliminando H con carga positiva (protón, H+) e intercambiándolo con algún catión absorbido de la micela (o en los coloides del suelo). El ácido carbónico de la solución pasa a carbonato de Ca, de K o de otro elemento, facilitando la absorción de estos iones por parte de la planta, pues esta los extrae ahora directamente de la solución del suelo. En los suelos cultivados, continuamente se produce este fenómeno en mayor escala. Es decir, las raíces eliminan el CO2, formándose con el agua una cantidad abundante de ácido carbónico; este, al interaccionar su protón constantemente (llevándose los cationes a la solución, —la cual luego absorberá la planta— y dejando en las micelas el protón), acidifica el medio, pues en un momento determinado la cantidad de protones será elevada, y bajará —correlativamente— el pH del suelo. 133

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Los cloruros (Cl-) y los nitratos (N03-) se intercambian y absorben gradualmente a través de la solución del suelo. En cambio, los fosfatos lo hacen primordialmente por la primera forma; es decir, por contacto. De allí también la importancia de localizar los fertilizantes fosfóricos, para que la planta tenga más oportunidad de asimilar el nutriente (figura 28). Figura 28. Intercambio iónico a través de la solución del suelo

Intercambio de iones y cationes entre la pared y el plasma celular La pared celular de las raíces posee una gran permeabilidad que permite una buena aireación de los iones, la cual actúa favoreciendo, por medio de sus cargas eléctricas, el pasaje de los iones según su carga. Las sales minerales pueden ser absorbidas y transportadas a partir de regiones de la raíz que contienen pelos radicales, y de regiones mucho más antiguas que se encuentran a varios centímetros de la punta de la raíz (figura 29).

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ABSORCIÓN Y TRASLADO DE SOLUTOS INORGÁNICOS

Figura 29. Corte transversal de raíz, indicando sus componentes

Imagen tomada de: http://vvww.inea.uva.es/servicios/histologia/images/Imagenes2001/Imagenes%202001/172PH.Raiz%20de%20grama.%2050x.2.jpg En una célula epidérmica de un vegetal, sumergida en un medio básico con un colorante, (por ejemplo, el rojo neutro —que es también un colorante básico—), se observará —al tiempo— que la vacuola toma un color rojo debido a que el colorante básico, al estar en un medio igual, no se disocia (o sea que no tiene cargas), y la célula entonces absorberá como a una sal completa (no una parte, como catión o anión), luego, al entrar en la solución de la vacuola —que es un medio acuoso—, la sal del colorante rojo se disocia y da el color respectivo. En cambio, si se coloca el rojo neutro en un medio ácido, la célula epidérmica —al tiempo— presentará un color rojo en su epidermis, pues la sal del colorante básico, en un medio ácido, se disocia y actúa como un ion cargado, siendo su parte activa: el catión (carga positiva), el cual es atraído por las cargas negativas de la pared celular, quedándose allí depositado. Esta es una demostración del grado de selectividad que tiene la epidermis de las células radicales.

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Transporte activo y pasivo a través de la membrana Las membranas de las células vegetales constituyen un aspecto importante para la difusión de materiales, por lo que —primeramente— nos abocaremos a entender un poco más de estos vitales componentes. La función más importante que realiza una membrana, al delimitar cualquier célula u organelo, es controlar la composición de su interior, de modo tal que los procesos propios de la vida puedan ocurrir normalmente, incluso cuando se dan cambios en sus alrededores. Las membranas, al ser observadas en micrografías electrónicas, son como dos líneas oscuras, electrodensas, separadas por una capa más clara. Se puede observar que la mayoría de las membranas son similares, sin importar el tipo de célula u organelo que estén rodeando (figura 30). Figura 30. Membrana indicando sus componentes

Imagen tomada de: http://www.elettra2000.it/scienza/immagini/membrana.jpg

Toda membrana consta, en su mayor parte, de lípidos y proteínas. Existen algunas diferencias en cuanto al contenido de lípidos y proteínas entre el tonoplasto la plasmalema y la membrana nuclear; así como de mitocondrias, cloroplastos y microcuerpos.

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Principales lípidos de las membranas Los principales lípidos que las conforman son: fosfolípidos, glicolípidos y esteróles: a) Fosfolípidos:

b) Glicolípidos: c) Esteroles:

Fosfatidil inositol Fosfatidil colina Fosfatidil etanolamina Fosfatidil glicerol Monogalactosildiglicéridos Digalactosildiglicéridos Ergosterol Colesterol Campesterol Estigmaesterol

Las estructuras de todos estos lípidos tienen algunas características en común, las cuales son importantes para la membrana. La primera es que dichos lípidos tienen un esqueleto de glicerol (figura 31) a la izquierda de cada estructura, al cual se esterifican dos ácidos grasos de cadena larga (por lo común con 16-18 átomos de carbono). Figura 31. Triglicérido mostrando la molécula de glicerol

Imagen tomada de: http://www.aula21.net/Nutrivveb/grasas.htm

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LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

La mayoría de estos ácidos grasos tienen uno, dos o tres dobles enlaces, casi siempre en la configuración cis. El punto de fusión de los ácidos grasos se incrementa un poco con la longitud de la cadena, pero disminuye de manera sustancial con el número de dobles enlaces presentes. Así, las membranas con ácidos grasos que contienen dos o tres dobles enlaces, son mucho más fluidas que las que tienen uno o ningún doble enlace (figura 32). Figura 32. Acido graso insaturado mostrando el doble enlace (doble ligadura), a diferencia del ácido graso no saturado que no lo presenta

Imagen tomada de: http://www.aula21.net/Nutriweb/grasas.htm

Todos los ácidos grasos son hidrófobos, mientras que el esqueleto de glicerol es más hidrófilo porque los oxígenos pueden formar puentes de hidrógeno con el agua. La porción final de los lípidos también es hidrófila. A este tipo de moléculas se les considera moléculas anfipáticas. El enlace hidrófobo es considerado en un medio polar, como el agua, en donde existe una gran interacción entre moléculas. Una molécula de algún soluto no polar o hidrófobo tendrá que crear una cavidad entre las moléculas de agua para poderse colocar. Esto requerirá de una cantidad de energía para poder separar las fuertemente interactuantes moléculas de agua. Cuando se añade otra molécula del compuesto hidrófobo al sistema acuoso, esta tendrá que formar también su cavidad y colocarse ahí. En el caso del agua, la energía libre necesaria para la formación de esta cavidad será mayor, conforme sea menos polar el compuesto, debido a la fuerte interacción que tienen entre ellas las moléculas de agua. Por otro lado, la energía libre, de interacción entre las moléculas del compuesto no polar y las moléculas del agua, es tan 138

ABSORCIÓN Y TRASLADO DE SOLUTOS INORGÁNICOS

pequeña, que no permite compensar la energía libre desfavorable. A causa de esta condición desfavorable, las moléculas del soluto no polar tenderán a agregarse y, así, a disminuir la energía necesaria para crear la cavidad. A esta tendencia se le llama interacción hidrófoba, y es la que explica la inmiscibilidad del aceite en agua y, en general, el porqué los solutos no polares son poco solubles en agua (figura 33). Por la definición anterior, se puede deducir que las interacciones hidrófobas solo existirán en un medio hidrófilo. Los glicolípidos se encuentran sobre todo en membranas de cloroplastos, en las cuales los fosfolípidos son mucho menos abundantes. Los esteroles también son antipáticos, debido a que poseen tanto una porción hidrófoba (rica en C e H), como una hidrofílica (grupo hidroxilo). La cantidad de esteral en las membranas varía con la especie. Parece ser que la función principal de los esteroles es estabilizar el interior hidrófobo e impedir que se vuelva demasiado fluido con el aumento de la temperatura. Figura 33. Inmiscibilidad del aceite en agua

Imagen tomada de: http://www.aula21 .net/Nutriweb/grasas.htm

Principales proteínas de las membranas Entre las principales proteínas de membrana figuran: proteínas catalíticas (ATP-asas); proteínas de canales de solutos; proteínas transportadoras; proteínas integrales; proteínas periféricas o extrínsecas, y glicoproteínas. 139

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Funciones de las proteínas Proteínas catalíticas. Son las más abundantes. Estas utilizan energía para bombear protones (H+) a través de las membranas. Las más abundantes son las que catalizan la hidrólisis de adenosina trifosfato (ATP), rica en energía; adenosina difosfato (ADP), menos energética y fósforo inorgánico (Pi). Estas enzimas —las cuales hidrolizan— se conocen como ATP-asas, cuya función es liberar la energía del ATP (figura 34) para el transporte de iones y otros solutos a través de la membrana, la cual bombea iones contra gradiente. Figura 34. Molécula de adenosina 5'-tri-fosfato ATP

Imagen tomada de: http://www.benbest.com/cryonics/ATP.gif

La Adenosina 5'-trifosfato o ATP, es la fuente primaria de energía para numerosas reacciones biológicas, como la síntesis de proteínas, el transporte de iones en la concentración muscular y las actividades eléctricas de las células nerviosas. La energía necesaria para llevar a cabo estos procesos es suministrada por la reacción de hidrólisis:

En donde ADP es la adenosina 5'-difosfato y Pi es el fósforo inorgánico. 140

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La energía desprendida en la hidrólisis de ATP es considerablemente mayor que aquélla desprendida en la hidrólisis de glicerofosfatos, etilfosfatos u otros esteres, en los cuales el desprendimiento de energía es alrededor de 3 kcal/mol. Debido a la gran disminución de energía libre en la hidrólisis de ATP, algunos biólogos y bioquímicos han recurrido al término enlace fosfato de alta energía, para describir a dichos compuestos. Esto no resulta muy adecuado, puesto que implica que en estas moléculas es diferente el enlace O-P (de algún modo covalente a los demás enlaces), lo cual no es cierto. El retiro de un electrón del ácido hace más ácido al protón, pero en el caso del anhidro, el protón compite con la otra parte de la molécula del ácido. Por ejemplo, el fosfato inorgánico y los compuestos de pirofosfato poseen varias estructuras en resonancia de similar energía. En la ATP (la forma estructural) los fosfatos están compitiendo por el par de electrones del oxígeno y se forma una región de carga positiva sobre el oxígeno adyacente a los átomos de fósforo, los cuales se encuentran cargados positivamente. El ion fosfato y el ion pirofosfato deben tener una carga positiva importante sobre los átomos de fósforo. Esta última estructura tiene menos forma en resonancia y la energía es disminuida. De ahí que la diferencia interna durante la hidrólisis es mayor que en el caso de otros ésteres de fosfatos ordinarios, los cuales tienen el mismo número de formas resonantes que el ion fosfato. Un segundo factor estructural que hace del pirofosfato un compuesto altamente energético es la repulsión electrostática de grupos con la misma carga. La importancia de la repulsión electrostática entre átomos de oxígeno resulta evidente del hecho de que la energía libre de hidrólisis, de un mol de ATP, cuando forma un complejo con Mg, es de -7.0 kcal, y cuando no forma el complejo, es de -8.6 kcal. Estos valores se determinaron a pH 7, a 37 °C y a una fuerza iónica de 0.2. Cuando las cargas del oxígeno solo se encuentran parcialmente neutralizadas por el ion Mg, la energía libre negativa, de hidrólisis, es reducida a 1.6 kcal. Un factor que tiende fuertemente a contrarrestar los dos efectos anteriores, es la entropía de hidratación del pequeño —y altamente polar— ion fosfato. El ATP cede su energía cuando su fosfato terminal se hidroliza para liberar ADP y Pi. Esta reacción es catalizada por una enzima que se encuentra en todas las membranas y se conoce como ATP fosfohidrolasa. La reacción es muy exergónica (7.6 kcal) por cada mol de ATP que se hidroliza, liberando demasiado calor. En las membranas, las ATP-asas aseguran que gran parte de esta energía se utilice para transportar protones de un lado a otro, contra un gradiente electroquímico. Este transporte de H+ proporciona la energía necesaria que se utilizará para el transporte de minerales esenciales.

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Clases de ATP-asas Cuatro clases de ATP-asas, se pueden encontrar en las células: En la membrana plasmática. Controla el paso de moléculas. Para ello, los protones se dirigen hacia un lado de la membrana, tomando un ion; posteriormente hay un cambio conformacional de la molécula, y luego una liberación del ion. Esta ATP-asa depende de K y Mg. En el tonoplasto. Bombea H+ hacia el interior de la vacuola, sin la ayuda de un fosfato proveniente de la ATP. También transporta 2H+ hacia la vacuola cada vez que cada ATP se hidroliza. En el transporte de H+ no depende de K. En el retículo endoplásmico. Bombea H+ hacia el interior. La ATP tiene una pirofosfatasa que utiliza el pirofosfato. Bombea un H+ por cada ATP hidrolizado. En Cloroplastos. en lugar de hidrolizar, sintetiza ATP (fotofosforilación). De las tres primeras grandes clases de ATP-asas que se conocen, la ATP-asa de la membrana plasmática es la menos eficiente en cuanto a energía (gran parte de la energía se pierde como calor), si bien tiene tres efectos importantes: a) Hace que se incremente el pH en el citosol. Este cambio en el pH casi siempre es pequeño, debido a que el citosol se amortigua a sí mismo para prevenir la pérdida de H+. Por lo común, el pH del citosol está entre 7 y 7.5. En vegetales existe otra ATP-asa que bombea Ca fuera del citosol, a la vez que bombea H+ hacia adentro. Se piensa que Ca/H +ATP-asa siempre bombea Ca hacia fuera del citosol, ya sea fuera de la célula, vía membrana plasmática, o hacia el interior de la vacuola, vía tonoplasto. Otra es la Ca + Mg /ATP-asa la cual moviliza Ca hacia fuera de la célula; esta ATP asa no depende de la introducción de H+ ni de la manera en que extrae Ca; es probable que dependa de la calmodulina para efectuar su actividad. b) Hace que el pH de la pared disminuya. La pared celular tiene mucho menor capacidad amortiguadora que el citosol, por lo que su pH con frecuencia disminuye hasta valores de 5.5 o 5.0. Este fenómeno también ayuda a explicar la capacidad de las raíces de acidificar suelos, si bien la liberación de C0 2 que experimentan durante la respiración también provoca acidificación, por la formación del ácido carbónico. c) Hace que el citosol se vuelva electronegativo respecto a la pared celular en tanto el citosol pierde H+ pero retiene OH". La retención de un anión y la pér142

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dida de un catión por el citosol explican la diferencia negativa de electropotencial a través de la membrana plasmática. Proteínas transportadoras de solutos. Son aquellas que se valen del gradiente de potencial eléctrico establecido por bombas, como la ATP-asa o la pirofosfatasa. Se piensa que los portadores se unen de manera específica a uno o unos pocos solutos relacionados. También se piensa que los portadores son proteínas integrales que atraviesan la membrana de un lado a otro. El término portador implica que estas proteínas se unen a solutos y se desplazan con ellos a través de las membranas, mediante un cambio conformacional (estructural) reversible, el cual facilite la transferencia del soluto. Proteínas de canales de solutos. Estas proteínas son integrales. Existen en una estructura conformacional que tiene la energía libre más baja posible, en el medio celular particular, en cualquier momento dado. La conformación varía el medio celular. Algunas de tales conformaciones poseen un orificio central, por lo que los solutos pueden pasar a altas velocidades. Que los canales estén abiertos o cerrados depende del medio. Hasta ahora se han descubierto dos tipos de canales: uno tiene un sistema de compuerta, el cual responde al gradiente de voltaje que existe a través de la membrana; el otro responde a estímulos moduladores externos, como luz u hormonas. Una vez que hemos recordado algunos conocimientos de las membranas y sus componentes, retornaremos al análisis del proceso de absorción de nutrientes que le corresponde al transporte activo y pasivo a través de la membrana. La absorción de sales por las raíces puede ser de una forma pasiva o activa. La pared celular, el espacio intercelular y los vasos xilemáticos constituyen el apoplasto (partes de la planta que no son vivas). Ahí se forma un espacio libre aparente, en donde las sales circulan en forma pasiva y libre. La entrada o salida de los iones depende de un gradiente de difusión; es decir, las sales se van moviendo según las diferencias de concentración que hay entre un punto y otro. No en toda la extensión del apoplasto los iones pueden entrar directamente a las zonas vivas celulares, las cuales constituyen el simplasto vegetal. Los iones van avanzando al interior de la raíz, siguiendo un gradiente de concentración. Van de un punto mayor a otro de menor. Al llegar a la endodermis se encuentran con las bandas de Kaspari (que son impermeables) y para poder entrar al simplasto deben gastar energía metabólica, constituyendo de esta manera una absorción activa. El gasto de energía metabólica supone un gasto de respiración, ya que la energía es obtenida a partir de la respiración o del consumo de algunos substratos orgánicos, utilizándose para este proceso el oxígeno. 143

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

La absorción activa promueve una elevación de la concentración de iones en el simplasto, hasta niveles muy superiores que los del exterior; esto se debe al gasto energético que realiza la planta, pues se absorben sales en contra del gradiente de concentración (al contrario de lo que ocurre en la absorción pasiva). El simplasto es continuo en el interior del vegetal; así, los iones llegan al cilindro central a través de los plasmodesmos. Cabe indicar que la concentración de 0 2 , favorece la absorción activa (necesaria para la respiración, la cual favorecerá la producción de energía, ATP, para el transporte de iones). En la endodermis se encuentra una menor tensión de 0 2 , habiendo entonces una menor eficiencia en la actividad de transporte. En el transporte activo de los iones, el cual se realiza con gasto de energía, intervienen unas sustancias específicas llamadas transportadores, situados en las membranas de las células. La membrana en la cual se hallan los transportadores limita, hacia afuera, un espacio externo y, hacia adentro, un espacio interno. Un ion que haya entrado no podrá salir. Respecto a los transportadores existe una teoría que explica cómo lo aniones y cationes (por ejemplo, el Cl- o el K+) son tomados por un fosfolípido (como la lecitina), el cual, por una enzima específica (la lecitinasa), se hidroliza, eliminando los cationes y aniones que había tomado, hacia el interior de la célula. Luego, la lecitina hidrolizada pasa a lecitina nuevamente, es decir que se resintetiza con un gasto de energía proveniente de la ATP. LOS transportadores dejan, entonces, libres a los iones en el apoplasto del cilindro central (es decir, en los vasos xilemáticos); ahí, las concentraciones de los iones son mucho mayores que en la solución del suelo. Una vez en el xilema, los iones son transportados con el agua a diversas partes de la planta. El transporte activo origina una acumulación constante en las células en crecimiento, produciendo una multiplicación celular. La oxigenación del suelo resulta importantísima en la fertilización y en la nutrición de la planta. El laboreo garantiza una buena aireación. El suelo, correlativamente, debe tener suficiente cantidad de materia orgánica, pues sus coloides permiten una buena formación de los agregados de aquel, mejorando su estructura. Los suelos con arcillas sódicas no tienen una buena estructura y, por lo tanto, el oxígeno existente es pobre; agregándole Ca, se produce un mejoramiento del mismo, pues los compuestos del suelo pueden flocular, es decir, agregarse y estructurarse de una manera que permita la formación de poros y microporos. En este tipo de absorción, la planta, en su relación con el exterior, puede absorber distintas cantidades de cationes y aniones. Por ejemplo, una planta que está en un medio de sulfato de potasio (K2S04) absorbe mayor cantidad del catión potásico (K+), que del anión sulfato (S04=); si está en un medio de cloruro de calcio (CaCl2), 144

ABSORCIÓN Y TRASLADO DE SOLUTOS INORGÁNICOS

absorbe mayor cantidad de cloruros, que el catión calcio (Ca2+). Esto se debe a que son absorbidos con mayor facilidad los iones monovalentes (es decir, con una sola carga eléctrica), que los bivalentes (dos cargas). Internamente, la célula logra un equilibrio de cargas (equilibrio electrostático), pues la solución celular tiende a la neutralidad. No obstante, es común el predominio de cationes en la solución celular, produciendo una sobrecarga positiva. Para neutralizar esa situación, la célula produce internamente un aumento de ácidos orgánicos, los cuales equilibran las cargas totales. A medida que se absorben cationes, aumenta la cantidad de ácidos orgánicos a nivel de tejido celular. La planta también tiende a un equilibrio electrostático con el medio exterior, pues, cuando absorbe cationes (+) elimina protones (H+) a la solución, a manera de un intercambio para equilibrar las cargas del medio. Los protones oxidrilo (OH) son aportados por los ácidos orgánicos que producen las células. Un mismo catión, como el K+, puede ser absorbido con distinta intensidad o velocidad, según el anión con que esté unido a la sal. Así, una planta a. g. de remolacha absorberá más K+ de una sal como el nitrato de potasio (KN03), que de otra como el sulfato de potasio (K2S04). Estableciendo una clasificación de las sales que van de una mayor a una menor absorción, se tiene la siguiente serie: nitrato de potasio (KN03), cloruro de potasio (KCl), fosfato monoácido de potasio (K2HPO4) y sulfato de potasio (K2S04).

Traslado y distribución de las sales inorgánicas Las sales inorgánicas, absorbidas por la raíz en forma de aniones y cationes (los cuales constituyen los nutrientes de la planta), son trasladadas por el xilema, en forma ascendente, junto con el agua. En esta corriente ascendente del xilema también se produce una difusión lateral de las sales inorgánicas hacia el floema (el cual transporta sustancias orgánicas). Cuando las sales llegan a las células de las hojas, se combinan con las sustancias orgánicas y migran hacia arriba y abajo de los órganos de la planta, a través del floema. Con el fin de lograr una mayor comprensión de este tipo de absorción, conviene tratar algunos conceptos relacionados con la fisiología de la planta.

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LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

El sistema vascular de las plantas El funcionamiento interdependiente de hojas, tallos y raíces que se realiza en las plantas, mediante la conducción de azúcar hacia abajo y de minerales hacia arriba, es posible debido a un sistema de tejidos llamado sistema vascular. El sistema vascular está formado por dos tejidos diferentes que se encuentran juntos: el xilema, el cual conduce agua, y el floema, que transporta fotosintatos (azúcares). La función del sistema vascular de las plantas es constituir la ruta para distribuir, en el organismo, los nutrientes a los sitios donde son necesarios. Por lo tanto, las partes principales del cuerpo de la planta que sirven para mantener a las hojas aprovisionadas de agua son: el xilema y la raíz, la cual absorbe, del suelo, el agua requerida junto con los iones (sales) que servirán de fuente nutrimental para la planta. El xilema es el tejido más importante en el transporte de agua. Pueden observarse en él varios tipos de células, vivas y muertas. De ellas, las más características son los elementos traqueales, a través de los cuales se realiza prácticamente todo el transporte del agua. También se encuentran en él las fibras xilemáticas y las células parenquimáticas vivas. Los elementos traqueales están constituidos por las traqueas y traqueidas, las cuales son células alargadas, tienen paredes secundarias lignificadas y están muertas durante su fase funcional. Si se toma un gran número de células traqueales y se empalman por sus extremos, se obtendrá una larga estructura en forma de tubo. Las fibras del xilema son células largas, finas, afiladas, con una gruesa pared lignificada y un contenido que muere al alcanzar la madurez. La función de las fibras del xilema es de soporte y la cantidad de agua que pueden conducir no es significativa. Pueden encontrarse células parenquimáticas vivas, dispersas en el sistema leñoso o formando parte de los radios del xilema. Dichas células forman lo que se llama parénquima leñoso o radial, respectivamente. La función principal del parénquima xilemático es el almacenamiento de substancias de reserva.

Transporte de agua en las plantas En el transporte de agua en el interior de una planta, el proceso de absorción de sales se puede entender al conocer las cuatro fuerzas que explican la entrada del agua a la raíz: imbibición, tensión por transpiración, absorción metabólica y ósmosis. La entrada de agua en la célula, por imbibición, se debe a que el protoplasma tiene mucha afinidad por el agua y la absorbe en sus micelas con facilidad; pero 146

ABSORCIÓN Y TRASLADO DE SOLUTOS INORGÁNICOS

una vez que el protoplasma se ha saturado, cesa su capacidad de absorber agua. Es por esto que es difícil que la absorción por imbibición sea muy importante en la entrada de agua en la raíz de una planta activa, aunque puede serlo si esta ha permanecido en extrema sequía y se encuentra parcialmente hidratada. Además, es la única fuerza de absorción, en el caso de semillas, para hidratarse. La tensión por transpiración es una fuerza presente en la planta. El agua de la hoja, al evaporarse, trae consigo a las moléculas de agua de los vasos leñosos, pero este arrastre ocurre solamente en los tejidos conductores; por lo que esta fuerza es un factor importante, pero indirecto, en la absorción. Cuando se habla de absorción metabólica o absorción activa, se refiere a que el agua está siendo absorbida con un gasto de energía metabólica. Se cree que esta absorción tiene lugar a través de mecanismos no osmóticos. Esto quiere decir que el agua se mueve en contra de un gradiente de difusión; es decir, a una velocidad no acelerada, para lo cual emplea una parte de la energía respiratoria. Pero la cantidad de agua absorbida es solo una fracción que no va más allá de 5% del total. Aunque se ha estudiado la posibilidad de absorción no osmótica de agua, ningún experimento ha sido capaz de demostrar, de modo inequívoco, que la energía metabólica interviene en la absorción del agua. La absorción pasiva o por procesos osmóticos no requiere directamente ningún gasto de energía. Se cree que el agua circula desde el suelo hasta el interior de la raíz, a favor de un gradiente de presión osmótica creciente. Es decir, el agua penetra debido a que va encontrando concentraciones mayores a medida que pasa de las células de la raíz a interiores.

Modelos para la explicación del ascenso del agua El movimiento del agua en la planta, fuera de algunas excepciones, es ascendente. Existen tres modelos que se han destacado más para la explicación de este ascenso del agua: modelo de la presión radical, modelo de la imbibición y capilaridad, y modelo cohesión-tensión-transpiratoria. Los primeros dos modelos son atacados porque actúan como factores del ascenso del agua, pero no lo explican por sí solas. El modelo más aceptado, donde la comprensión de la absorción de sales se implica, es el modelo denominado: cohesión-tensión-transpiratoria, el cual fue desarrollado por Dixon y Joly (1895), y reforzada por Dixon (1914). A continuación se detalla este modelo, al hacer comparación de un fenómeno físico con el caso de una planta que crece en el suelo en un habitat natural. 147

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Se tiene un tubo largo de vidrio sumergido por un extremo en un vaso de precipitado lleno de agua; dicho tubo también se encuentra lleno de agua, de tal manera que hay una conexión ininterrumpida entre el agua del vaso y del tubo. Si sobre el otro extremo se coloca una esponja saturada de tal manera que exista continuidad entre el agua, la esponja y el agua del tubo, se logrará que la columna de agua sea bombeada a partir del vaso de precipitado. A medida que el agua de la esponja se va evaporando, va siendo sustituida por el agua del tubo, la cual, a su vez, es reemplazada por el agua del vaso. La columna de agua, al ser bombeada, se mantiene sin romperse y, al mismo tiempo, el agua que está siendo aspirada hacia arriba, no se retira de las paredes del vidrio del tubo. Esto se debe a las propiedades de adhesión y cohesión del agua. Por ello, la columna de agua no se romperá hasta que su fuerza de cohesión y de adherencia sea menor que la presión gravitacional de la columna. En forma semejante, el agua contenida en el vaso corresponde al agua del suelo. El tubo de vidrio es, hasta cierto punto, análogo al tejido vascular de la planta, sobre todo si se considera que cada vaso es independiente. La superficie de evaporación de la esponja es parecida a la superficie de evaporación del mesófilo de la hoja. A medida que el agua se evapora, a partir de las células del mesófilo, se va estableciendo un aumento del déficit de presión de difusión de las células que se encuentran en contacto con las lagunas aeríferas de las hojas. En su tendencia por igualar los déficit de presión de difusión, las células de las hojas acaban por absorber agua a partir de los tejidos de la hoja, poniendo así al agua, contenida en los vasos del xilema, en un estado de tensión, presión negativa. Este estado de tensión se transmite a lo largo de las columnas continuas de agua, desde la parte superior de la planta hasta su sistema radical.

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10 Efecto de la salinidad y el sodio sobre las plantas

a salinidad es la consecuencia de la presencia, en el suelo, de sales más solubles que el yeso. Por sus propias características, se encuentran tanto en la fase sólida como en la fase líquida, por lo que tienen una extraordinaria movilidad. La salinización natural del suelo es un fenómeno asociado a condiciones climáticas de aridez, y a la presencia de materiales originales ricos en sales. No obstante, existe una salinidad adquirida por el riego prolongado con aguas de elevado contenido salino en suelos de baja permeabilidad, y bajo climas secos subhúmedos o más secos. El contenido salino del suelo suele medirse de forma indirecta. Dado que la presencia de iones en el agua la hace conductora de electricidad, se utiliza la conductividad del extracto de saturación para calcular el contenido en sales solubles. Se entiende por extracto de saturación, la solución extraída del suelo después de saturarlo con agua, buscando ponerlo en un punto cercano a su capacidad de campo, dada que esta es la situación más perdurable con una concentración mínima de sales. Un estado de mayor humedad presentaría una solución más diluida, pero de escasa duración temporal; un estado más seco elevaría la concentración, pero sería muy variable en el tiempo. Como quiera que la conductividad eléctrica varíe con la movilidad de los iones y, por tanto, con la temperatura, para obtener valores comparables siempre se mide a una temperatura fija de 25 °C. La presencia de sales ejerce una doble influencia en el suelo: por un lado, la posible toxicidad de algunos iones presentes, como el sodio, y, de otro lado, el incremento en la presión osmótica de la solución, lo cual dificulta la absorción de agua por parte de las plantas; de hecho, su efecto se suma al potencial matricial. Esto hace que los suelos salinos se comporten fisiológicamente como secos, con un nivel de humedad apreciable. La salinidad influye en el crecimiento de todas las plantas por ese efecto 149

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

de sequía que acabamos de mencionar. No obstante, existe una diferencia específica entre ellas, como se desprende en la tabla 11. Tabla 11. Clasificación de la salinidad en el efecto del desarrollo de los cultivos Conductividad dS/m

Desarrollo de los cultivos

Salinidad

0-2 2-4 4-8

Ninguna Escasa Moderada

8-16

Alta

>16

Excesiva

Normal para todos. Se ven afectados algunos cultivos muy sensibles. Se afecta la mayoría de los cultivos. Solo se desarrollan las plantas tolerantes. Solo pueden desarrollarse las plantas muy tolerantes, y con dificultad. No hay posibilidad de cultivo. Solo se da la vegetación halófila.

A partir de 15 dS/m, el suelo se considera salino. Ahora bien, como se ha indicado con anterioridad, no todas las sales se comportan de la misma manera y mientras la mayoría de las plantas no son sensibles a la elevación del calcio, todas lo son al incremento de sodio. Por otra parte, la presencia de sodio en la solución del suelo genera una alcalinidad más alta que el calcio. Por esta razón es conveniente medir el pH del extracto de saturación, a la par que se mide la conductividad eléctrica, pues este parámetro nos sirve como índice de la sodicidad —o contenido en sodio— del suelo. Cuando la conductividad eléctrica supera el valor de 8 dS/m la mayor parte de las plantas se ve afectada; pero su grado será máximo si abunda el sodio en la solución, lo que se traduce por un valor del pH superior a 8.5 (que es el máximo generado por la presencia de carbonato calcico). Esto hace que también se considere al suelo como salino cuando se dan las circunstancias apuntadas. La salinidad no siempre tiene que ir asociada con un pH alcalino, sino que, cuando se alcanzan valores muy ácidos, se produce la solubilización de sales alumínicas que pueden generar una elevada conductividad, con un riesgo añadido: la presencia de aluminio soluble, en cantidades suficientes para ser tóxico para la mayoría de las plantas. Por ello, cuando el pH baja de 3.5, los suelos se consideran salinos con conductividad superior a 8 dS/m, como en el caso de la alcalinidad.

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EFECTO DE LA SALINIDAD Y EL SODIO SOBRE LAS PLANTAS

Principales efectos directos que provoca la salinidad en la planta Los son: a) cambios en la anatomia y la morfología, y b) cambios en la fisiología y desarrollo; en este efecto están considerados tres modelos: modelo de la aprovechabilidad del agua; modelo de la inhibición osmótica o ajuste osmótico; y modelo de la toxicidad específica.

Cambio en la anatomia y la morfología La salinidad tiene la curiosa facultad de limitar el desarrollo de las plantas, lo cual se manifiesta por una reducción en su altura y en la producción de materia seca. Concentraciones cercanas de 50 Mm de NaCl inhiben el crecimiento de plantas glicófitas; y, a mayores concentraciones, retardan el crecimiento en halófitas.

Cambios en su fisiología y desarrollo Modelo de la aprovechabilidad del agua Las sales solubles disminuyen la energía libre del agua del suelo, disminuyendo, a su vez, la aprovechabilidad del agua para las plantas y afectando el crecimiento de las mismas. Este fenómeno es comúnmente conocido como sequía fisiológica, la cual postula: bajo condiciones salinas, las plantas sufren deshidratación. En suelos salinos sódicos, la concentración de solutos y, consecuentemente, el potencial osmótico son altos, por lo tanto es necesario realizar más trabajo para extraer el agua del suelo; esto es: la disponibilidad de agua para las plantas —o, en otras palabras, el potencial del agua— es baja. Si se toma el potencial químico del agua como un punto de referencia y se le da el valor de cero, entonces, el potencial del agua en el suelo, la atmósfera o la planta, será valor negativo. El potencial de agua es un calculador del déficit de agua—o sequía—y se expresa en bares (1 bar= 106 dinas/cm2). Las diferencias de agua son las que dan como consecuencia el movimiento de esta en un sistema. De este modo, para inducir un gradiente orientado hacia el interior de la planta, en el potencial de agua, y extraerla del medio ambiente, las plantas tienen que mantener un potencial de agua, en sus tejidos, más bajo que el del medio. Sin embargo, de acuerdo con este modelo, una planta bajo condiciones de salinidad no puede realizar esto, y por eso se deshidrata y muere. 151

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Modelo de la inhibición osmótica o ajuste osmótico Este modelo establece que las plantas tienen que ajustar su contenido de solutos hasta lograr una diferencia de presión osmótica favorable entre las células de la planta y el medio en que se están desarrollando. Es, precisamente, mantener dichas diferencias, lo que trae como consecuencia el gasto de energía por las plantas, dando como resultado una disminución en el desarrollo de estas. A este mecanismo se le llama ajuste osmótico de la planta, sugiriendo que la tolerancia a las sales se puede definir como: el grado al cual el ajuste osmótico puede hacerse, sin sacrificar el desarrollo. En glicófitas, el efecto visual en la altura es debido a la apertura estomática por efecto de estrés hídrico, la producción de ácido absícico (ABA) por efecto de estrés, consecuentemente, una baja en la fotosíntesis (carboxilación).

Modelo de la toxicidad específica Sostiene que la salinidad ejerce un efecto en detrimento sobre del desarrollo de las plantas a través de la toxicidad de uno o más iones presentes en concentraciones elevadas, lo que ocasiona cambios en la actividad metabólica. El exceso de iones puede afectar la fisiología de las plantas en las siguientes formas: 1) actuando como antimetabolitos; 2) fijando o precipitando los metabolites; 3) catalizando la descomposición de elementos esenciales; 4) afectando la permeabilidad de la membrana, y 5) reemplazando elementos esenciales, evitando así que completen su función. La habilidad de una planta para mantener un crecimiento bajo condiciones severas de salinidad puede obtenerse superando estos factores. La tolerancia a condiciones de salinidad puede conseguirse en glicófitas y halófitas a través de un alto grado de selectividad en la absorción de iones. La absorción selectiva de iones puede limitar el nivel de iones tóxicos en la planta, ya que pequeños aumentos de Na y Cl parecen obstruir el crecimiento adecuado.

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11 Tolerancia a la sal y potencial de cultivo de las halófitas

n los suelos destinados a la agricultura, la salinidad representa una limitante para la productividad de los cultivos. Actualmente, 20% de la superficie cultivada y la mitad de las zonas de regadíos son afectadas por la salinidad. En regiones semiáridas o regiones áridas con deficiente drenaje, los suelos acumulan sales por la evaporación del agua de riego. El incremento de la salinidad del suelo o el empleo de aguas de riego con una alta concentración de sales —mayor a lo aconsejado— genera cambios en las condiciones del medio, los cuales reducen o alteran desfavorablemente el crecimiento o desarrollo de las plantas. Las plantas pueden ser clasificadas en dos grupos, según su capacidad de tolerar la salinidad: halófitas y glicófitas. Las plantas halófitas, a diferencia de las glicófitas, se caracterizan por poseer una alta tolerancia a la salinidad, condición que, en algunos casos, está dada por la presencia de estructuras especializadas, como glándulas excretoras o vesículas almacenadoras de sales. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la diferencia entre halófitas y glicófitas está determinada por la expresión diferencial de genes, los cuales de forma coordinada, provocan cambios en el metabolismo celular, protegiendo a la planta de la acción osmótica y tóxica de la sal, y asegurando un adecuado nivel de división y expansión celular durante el tiempo que perdure el estrés. Las halófitas están presentes en aproximadamente la mitad de las familias de plantas superiores y representan solo 2% de las especies de plantas terrestres, en una amplia variedad de formas vegetales. Debido a la necesidad de más alimento para nuestra población creciente, se ha dado un interés mayor en detectar qué halófitas podrían ser utilizadas para uso directo en la humanidad, o bien, cómo pudiesen ser utilizadas en nuestros estilos de vida. Algunas halófitas ya han sido probadas como cultivo de vegetales, forraje y semillas de aceite, en pruebas agronómicas de campo. Se ha detectado que las halófitas que 153

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

crecen en áreas costeras actúan como áreas de vegetación percoladoras para controlar las sales del suelo, los cuales pueden repercutir en el reciclaje de residuos agrícolas salinos y en la recuperación de suelos afectados por la presencia de sal en los distritos de riego de las zonas áridas. El forraje y los productos de semillas halófitas pueden reemplazar a los ingredientes tradicionales en los sistemas de alimentación para animales, con algunas restricciones, debido al elevado contenido de sal y compuestos antinutricionales presentes en algunas especies. Entre 1970-1980 se engendró un sueño que consistía en que la manipulación genética lograría cambios radicales en la producción de cultivos en agua salina, hasta un grado tal que cultivos convencionales podrían desarrollarse en agua marina; éste, en la actualidad, ha sido sombrío. Flowers y Yeo (1995), citados por Glenn et al. (1999), indican, a partir de una revisión, que entre 1980 y 1995 se publicaron más de 300 artículos al año relacionados con los mecanismos de tolerancia a la sal en plantas superiores, pero solo se lanzaron menos de una docena de cultivares tolerantes a la sal, los cuales ofrecieron apenas una ligera mejora con respecto a sus progenitores. Asimismo, citan que, de hecho, existen cuestionamientos acerca de que si los cultivares creados para ser tolerantes a la sal han sido comercializados exitosamente. Los agricultores, en terrenos salinos, siguen teniendo mejores resultados con los cultivos seleccionados por el rendimiento, que por la tolerancia a la salinidad (Richards, 1992). Cabe indicar que investigadores de relevancia internacional citan que la tolerancia a la sal, desde la perspectiva molecular, debe tener una pausa en el cultivo de plantas hasta que la genética molecular sea mejor comprendida (Bohnert y Jensen, 1996). Por lo anterior, y con la finalidad de hacer realidad el sueño dorado de producir plantas tolerantes a la salinidad, actualmente se está solicitando un mejor entendimiento de la forma en que las plantas naturalmente adaptadas (halófitas) manejan las sales, con el objetivo primordial de ampliar el conocimiento de las bases genéticas para la tolerancia a la sal. Investigaciones genéticas han sido de importancia para esclarecer los mecanismos de tolerancia a este estrés abiótico. Algunos de ellos se presentarán a continuación. Un fuerte estrés salino rompe la homeostasis del potencial agua y la distribución de iones. La respuesta adaptativa, para tolerar la salinidad, debe interconectar tres aspectos en la actividad de la planta. El primero es prevenir o reparar el daño o detoxificación. El segundo es el control de la homeostasis, incluye la homeostasis iónica y la osmótica, las cuales deben ser reestablecidas frente a las nuevas condiciones de estrés. En tercer lugar, el control del crecimiento debe reanudarse, pero con una tasa reducida. En este sentido, en la detoxificación, las especies reactivas de oxígeno (ROS) son la causa del daño generado por estrés salino. Estas disparan la señal de detoxificación y complejas respuestas moleculares, como la expresión de proteínas y la producción de 154

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

osmolitos, remueven las ROS O previenen el daño de las estructuras celulares. El mejoramiento genético ha sido dirigido a través de esta estrategia de detoxificación. Las plantas transgénicas sobreexpresan estas enzimas ligadas a la protección oxidativa. Proteín-kinasas parecen estar mediando estas respuestas al estrés oxidative Osmolitos como el manitol, glicinbetaína, fructanos y prolina, entre otros, trabajan a través de la detoxoficación oxidativa. Plantas de Arabidopsis, transformadas con genes de bacterias, generan la acumulación de glicinbetaína en los cloroplastos (lugar de producción primaria de ROS) y son más tolerantes al estrés salino. Respecto a la homeostasis, el estrés salino rompe la homeostasis iónica de las plantas al provocar un exceso tóxico de Na+ en el citoplasma y una deficiencia de iones como el K+. El Na+ inhibe muchas enzimas, por eso es importante prevenir la entrada de Na+ al citoplasma. Las plantas emplean varias estrategias para combatir el estrés iónico que les impone la salinidad. La compartimentación del Na+ es una respuesta económica para la prevención de la toxicidad del Na+ en el citosol, porque el Na+ puede ser usado como osmolito en la vacuola para ayudar a conseguir la homeostasis iónica. Plantas tolerantes a la salinidad (halófilas) cuentan con esta estrategia. La entrada de Na+ debe ser prevenida o reducida. Canales no selectivos de cationes (NSCS) son mediadores de la entrada de Na+ a las células de la planta, ya que su identidad molecular no es reconocida. Un importante avance en el estudio de la tolerancia a la salinidad fue determinar con qué transportadores el Na+ entra a la célula, para encontrar la vía para bloquearla y así aumentar la tolerancia a la salinidad. Se han identificado estos canales en levaduras como el HKT1 y LCT1, los cuales mostraron ser permeables al Na+. La clonación y la caracterización de varios genes y sus productos ha permitido establecer una vía de señalización que regula la homeostasis iónica y la tolerancia a la salinidad en Arabidopsis thaliana. El disparador es una alta concentración de Na+ en el espacio intra o extra celular, lo que provoca una señal citoplasmática de calcio. El calcio se une a una proteína miristoilada, la cual es codificada por el sos3 (sensible al exceso de salinidad) que percibe esta señal. El sos3 interactúa físicamente y activa a sos2, que es una proteín-kinasa. Activada sos2 luego regula la actividad y expresión de sosl, la cual es una nueva clase de antiporter Na+/H+ que funciona en la membrana plasmática, exportando Na+ desde la célula. El sos2 también interactúa con un transportador de Na+: el HKT1. En Arabidopsis, al suprimir sos2 o sos3, incrementó la acumulación de Na+. La ingeniería genética de la tolerancia a la salinidad, por diferentes estrategias, ha mostrado promisorios resultados. Pero surge una pregunta: ¿qué es más importante para la tolerancia a la salinidad: la detoxificación o la homeostasis? En lo que respecta a la regulación del crecimiento, el estrés salino —como tantos otros estreses abióticos— inhibe el crecimiento de la planta. El bajo crecimiento es 155

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

una característica adaptativa de las plantas para sobrevivir al estrés por salinidad. En la naturaleza la capacidad de tolerar la salinidad o la sequía parece estar inversamente relacionada con la tasa de crecimiento. Una causa de la reducción del crecimiento es la inadecuada fotosíntesis debida al cierre estomático y, en consecuencia, la limitación de la entrada de C0 2 . Cabe indicar también que el estrés inhibe la división celular y la expansión, directamente. Algunas plantas son tan sensibles al estrés que el solo pánico resulta en que cese el crecimiento, cuando ocurre un leve estrés. Por lo contrario, algunas plantas que no son sensibles corren el riesgo de morir por continuar creciendo, cuando el estrés es serio. Un importante enlace entre el estrés y la división celular fue revelado por la inducción de ICK1 en Arabidopsis, por ABA (ácido abscísico). ICK1 es un inhibidor de proteín-kinasa, dependiente de la cyclina, el cual impide la división celular al inhibir estas proteínas que conducen el ciclo de división celular. El estrés salino causa una acumulación de ABA, lo que induce a ICK1 . Estudios con transgénicos que sobreexpresan componentes de tolerancia al estrés mostraron que existen conexiones entre estrés y regulación del crecimiento. Por lo contrario, la expresión constitutiva de varios genes relacionados, CBF1, DREB1 Y ATHB7 (genes inducibles por sequía o frío, los cuales no se expresan en condiciones normales de crecimiento), fueron la causa del bajo crecimiento en plantas transgénicas. Por otra parte, debido a la particularidad de tolerar niveles altos de sal, este rubro es una elección adecuada para la búsqueda y el estudio de los mecanismos de tolerancia a la salinidad. Sin embargo, por la complejidad de los mecanismos de tolerancia a salinidad y la necesidad de definir un buen modelo de sistema genético, el potencial de las halófilas para revelar los mecanismos de tolerancia a la salinidad, queda muy distante de realizarse. No obstante, al respecto, es importante hacer notar que Arabidopsis es considerada un modelo para estudiar la salinidad, por presentar un genoma de tamaño pequeño, un ciclo corto, la habilidad de auto-polinizarse y generar una alto número de semillas, y ciertas características genéticas, como un pequeño genoma y fácil transformación y mutagénesis. Como Arabisdopsis es una planta glicófita, y muy sensible a la salinidad, uno podría pensar que no es susceptible al estudio de los mecanismos de tolerancia a la salinidad. Sin embargo, a través de procesos de adaptación, las glicófilas poseen la maquinaria para la tolerancia a la salinidad, la cual no opera efectivamente en condiciones de no-adaptación. Así, la diferencia a la tolerancia a la salinidad entre glicófilas y halófilas resulta ser más bien cuantitativa que cualitativa, y los mecanismos básicos de tolerancia a salinidad probablemente se encuentren conservados en todas las plantas. La identificación de loci's sensibles al exceso de salinidad fue un descubrimiento de una importante vía regulatoria que controla la homeostasis iónica y la tolerancia salina. A través de análisis genético funcional, con Saccharomyces cerevisiae, se guió el descubrimiento 156

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

de dos importantes vías para la tolerancia al estrés salino: las vías de adaptación al estrés hiperosmótico y al estrés iónico. Las plantas que han sido sujeto de estudio de estreses, como el tabaco y el tomate, no son factibles de un análisis genético molecular; como alternativa, estos estudios se realizaron con levaduras. Arabidopsis emergió como un excelente sujeto de estudio. Los mecanismos de integración de toda la planta no pueden ser estudiados en un organismo unicelular. Con el modelo Arabidopsis se descubrió la vía de regulación de la homeostasis iónica bajo estrés salino, por clonación de los genes sensibles al exceso de salinidad. Surge la necesidad de hallar un sujeto de estudio que sea naturalmente tolerante a la salinidad (halófilas y xerófilas), con los procesos originales y mecanismos únicos de tolerancia, pero con sutiles diferencias en la regulación, los cuales den la importancia en las variaciones de la tolerancia o la sensibilidad a la salinidad. Por lo anterior, los estudios de las halófitas pueden ser instructivos en tres perspectivas (Glenn et al., 1999): 1. El funcionamiento de los módulos, por el cual las plantas son tolerantes a la salinidad, puede ser transferido en la generación de nuevos especímenes que presenten tales características, con la finalidad de obtener cultivos que puedan desarrollarse al sector agrícola. 2. Las plantas tolerantes a la salinidad pueden ser una ruta alterna en la agricultura bajo condiciones de aridez y salinidad. 3. Las plantas tolerantes a la salinidad pueden ser una nueva fuente de alimentos para la humanidad. A continuación se dará un análisis breve de la clasificación-diversidad de las halófitas. Revisaremos el grado de entendimiento actual de sus mecanismos tolerantes a la sal y su relevancia en los esfuerzos para mejorar los cultivos y el estatus de la agronomia con halófitas.

Clasificación-diversidad de las halófitas Más de cuatro quintas partes de la superficie de nuestro planeta están cubiertas con una solución salina que contiene, entre otros componentes, aproximadamente 0.5 M de NaCl. Sin embargo, solo unos cuantos grupos de plantas superiores pueden soportar tales condiciones; la mayoría de las especies terrestres están incapacitadas para tolerar aún la décima parte de la concentración salina del océano sin sufrir serios trastornos en su balance de agua, nutrientes o metabolismo. 157

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

El hecho de que solo un grupo pequeño de plantas superiores pueden crecer bajo condiciones salinas fue reconocido hace muchos años. Waisel, en 1972, cita a Dodoens, quien en 1563 describió a Plantago marítima como perteneciente a dicho grupo. En 1576, Lobelius, citado por Waisel, menciona a plantas del género Salicornia como plantas típicas de las costas marítimas. En 1695, Sloone enfatizó el hecho de que Avicennia spp. es una especie excepcional en hábitats salinos. Sin embargo, hasta principios del siglo XIX el nombre de halófitas fue dado a conocer para ese grupo de plantas, por Pallas. Waisel, en 1972, define como planta halófita salina: aquella que crece y completa su vida en hábitats con un alto contenido de sales; reservando este término solamente para plantas que aparecen en hábitats salinos específicamente y en forma constante. Plantas que comúnmente ocupan nichos ecológicos no salinos y aparecen en áreas salinas por periodos cortos se les llama pseudohalófitas o falsas halófitas. Una de las primeras clasificaciones de plantas de hábitats salinos fue propuesta por Stocker en 1928, quien las divide en tres grupos: 1) acuática-halinas; 2) terrestres-halinas, y 3) aero-halinas. Este autor, a su vez, subdivide el segundo grupo en: a) higrohalinas, b) mesohalinas y c) xerohalinas; y al tercer grupo en: a) plantas de hábitats afectados por brisa marina, y b) plantas afectadas por polvo con sales. La clasificación anterior se basa en las fuentes de donde provienen las sales y en las partes de las plantas que son afectadas. El mismo autor consideró como habitat salino, aquel cuyo contenido de NaCl en el suelo es mayor de 0.5%, calculando con base en peso seco. La clasificación de Iversen, en 1936, está basada en el contenido salino del habitat. Dividió los hábitats salinos en los rangos siguientes: 1) oligohalino, al hábitat que contiene de 0.01 a 0.1% de NaCl; 2) mesohalino, a aquel que contiene de 0.1 a 1.0% de NaCl, y 3) polihalino, al que contiene más de 1.0% de NaCl. Las plantas toman el nombre del habitat donde más frecuentemente aparecen. Chapman, por su parte, en 1942, modificó la clasificación de Iversen (1936), tomando en consideración el límite de salinidad propuesta por Stocker (1928): de 0.5% de NaCl. Chapman clasificó a las halófitas como: 1) Miohalófitas, a las plantas que crecen en hábitats de baja salinidad (menos de 0.5% de NaCl) y 2) Euhalófitas, a las plantas que crecen en hábitats con alta concentración salina. Las Euhalófitas fueron divididas en tres categorías: a) mesohalófitas, las plantas que crecen en hábitats con un rango de salinidad de 0.5 a 1.0%; b) Mesoeuhalófitas, las que crecen en hábitats con un rango de salinidad que va desde 0.5% a más, y c) Eueuhalófitas, las plantas que crecen en hábitats con un mínimo de salinidad de 1 por ciento. Van Eijk, en 1939, propuso una clasificación basada en la distribución y en algunas respuestas de las plantas a condiciones salinas. Dividió a las halófitas en dos 158

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

categorías: 1) plantas que toleran condiciones salinas porque tienen un óptimo desarrollo en hábitats no salinos, y 2) plantas que tienen un óptimo desarrollo en hábitats salinos. Cada uno de estos dos grupos se subdivide en: a) plantas que aparecen solamente en hábitats salinos, y b) plantas que aparecen también en hábitats no salinos. Uno de los primeros que intentó clasificar a las halófitas de acuerdo con su respuesta a salinidad fue Cervantes en 1957. Al estudiar la adaptación de plantas a condiciones del ex-lago de Texcoco, clasifica a la vegetación existente en: 1) plantas halófitas típicas y 2) plantas adventicias. El primer grupo presenta características morfológicas tales como: escasa talla, frecuente suculencia, reduccción en el número de estomas, engrasamiento de la cutícula, escaso desarrollo, falta completa del parénquima esponjoso de la hoja, y otras de menor importancia. Además, presentan características fisiológicas tales como: reducción de la transpiración y aumento de la presión osmótica del jugo celular. El segundo grupo son plantas que sufren algunas modificaciones de carácter morfológico y anatómico, como son la reducción en el tamaño de la planta y el número de estomas; pero, sobre todo, presentan modificaciones de tipo fisológico, como la presión osmótica que les permite subsistir. Cervantes asegura que las modificaciones en este segundo grupo son aparentemente transitorias. Otro de los que intentó clasificar a las halófitas de acuerdo con su respuesta a salinidad fue Tsopa (apud Waisel, 1972). Su clasificación las divide en cuatro categorías: 1) halófitas obligadas, aquellas que requieren salinidad durante toda la vida; 2) halófitas preferenciales, las que exhiben un óptimo crecimiento en ambientes salinos, a pesar de que aparecen en hábitats no salinos; 3) halófitas facultativas, plantas no agresivas, capaces de crecer en medios salinos, y 4) halófitas accidentales, plantas que sólo ocasionalmente aparecen en hábitats salinos. De acuerdo con Weissenbock en 1969, los términos halófita obligatoria y halófita facultativa pueden ser reemplazados por términos fisiológicos más precisos. Sugiere que el término facultativo puede ser aplicado a las plantas que crecen favorablemente en suelos afectados por NaCl, siempre que el Na+pueda ser substituido por K+; y obligadas serían las plantas que crecen favorablemente en suelos con Na+, donde no puede ser substituido por K+. Según Kreeb (apud Waisel, 1972), las plantas deben ser clasificadas en base al crecimiento que presentan bajo condiciones de salinidad, y las divide en tres categorías: 1) halófitas, aquéllas que presentan un ligero incremento en crecimiento; 2) glicófitas, las que, por el contrario, presentan un decremento considerable en crecimiento cuando son cultivadas en medios ligeramente salinos, y 3) semihalófitas, aquéllas que presentan un comportamiento intermedio entre las dos anteriores. Harmer en 1953 indica que las plantas glicófitas y semihalófitas pueden ser clasificadas en cuatro categorías, dependiendo de su respuesta a la salinidad: a) plantas 159

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

que no se muestran afectadas por Na+, bajo condiciones de deficiencia de K+; b) plantas que sí son afectadas por Na+, bajo condiciones de deficiencia de K+; c) plantas que muestran un marcado efecto de Na+, cuando el K+es abundante, y d) plantas que muestran un ligero efecto de Na+, cuando el K+ es abundante. Para poner en práctica estas clasificaciones es necesario determinar los efectos de la salinidad sobre las especies de interés. Un intento de clasificación de las plantas halófitas, con base en su respuesta al contenido interno de sales, fue hecho por Steiner en 1935. De acuerdo con él, las plantas halófitas pueden ser clasificadas en tres tipos: 1) halófitas suculentas, plantas que pueden tolerar altas concentraciones de cloro en su savia, debido a un incremento en suculencia; 2) halófitas no suculentas, son plantas que resisten sales por desalinización de sus tejidos, la excreción de sales en exceso se realiza a través de estructuras especializadas llamadas glándulas salinas, y 3) halófitas de tipo acumulativo, son plantas que carecen de un mecanismo especializado en la remoción de sales, por lo que se van acumulando en los tejidos más y más, hasta que estos mueren, deshaciéndose así las plantas del exceso de sales. Waisel, en 1972, creó una nueva clasificación considerando las relaciones internas de las plantas con respecto a las condiciones de salinidad. Waisel consideró como hábitat salino: aquéllos donde el contenido mínimo de NaCl en el extracto de saturación del suelo es de 100 meq/litro; la conductividad eléctrica de aproximadamente 10 mmhos/cm a 25 °C; el potencial osmótico de -4 bares y el PH mayor de 8.5. Esta definición de hábitat salino es muy parecida a la sugerida por el grupo de investigadores del Laboratorio de Salinidad de Estados Unidos. Como se puede observar, la forma de clasificar a las halófitas difiere entre autores, lo que promueve que no exista de manera oficial una lista de especies de halófitas, debido, principalmente, a la forma de definir los límites de tolerancia a la salinidad. No obstante, Feuchter (2000) tiene registradas, entre gramíneas, leguminosas, arbustivas y potencial doméstico, alrededor de 783 especies, mientras que Aronson (1989) compiló una lista parcial de halófitas que contiene 1 560; listas que fueron elaboradas a partir de reportes en la literatura. Por su parte, Le Houerou (1993) calculó que dicha lista probablemente incluía entre 20 y 30% de la flora halófita terrestre, y que podrían ser de 5 a 6 mil especies. De las especies en la lista, 57% pertenecía apenas a 13 familias. El mayor número se encuentra en las Chenopodiaceae, más de la mitad de sus 550 especies son halófitas. Las tres superfamilias, Poaceae (pastos), Fabaceae (leguminosas) y Asteraceae (compuestas), también tienen grandes números de halófitas, aunque representan menos de 5% de las especies en ellas. Con base en lo anterior, la diversidad taxonómica de las halófitas abre la posibilidad de que la tolerancia a la sal pudiera ser introducida en las plantas de cultivo a través de cruzas extensas (Epstein et al., 1980). 160

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

Definición de tolerancia a salinidad La resistencia o tolerancia de las plantas a la sal está referida, desde el punto de vista de la hereditaria de la planta, para resistir los efectos de altos niveles de sal en la zona de la raíz o sobre las hojas de la planta sin un efecto adverso significante. Lunin et al., en 1963, propusieron un par de reglas generales para estudios de salinidad: 1) la tolerancia actual de un cultivo a la salinidad, difiere de acuerdo con los estados de desarrollo al cual la salinización inició y al nivel de salinidad alcanzado, y 2) los valores de tolerancia a la salinidad serán tomados considerando la porción de la planta a ser marcada, esto es en relación con la parte de consumo humano (fruto, tallo, hojas). Los términos para evaluar la tolerancia a la sal son descritos como una función compleja de la caída del rendimiento, a través de un rango de concentraciones de sales (Maas y Hoffman, 1977; Van Genuchten y Hoffman, 1984). La tolerancia a la sal puede ser medida sobre la base de dos parámetros: el umbral de salinidad, medido por la conductividad eléctrica (ECt), —referida a causar una reducción significa en el rendimiento máximo esperado (Ymax)—, y la pendiente (s). La pendiente es simplemente el porcentaje de rendimiento esperado a ser reducido por cada unidad de salinidad adicionada arriba de los valores del umbral salino. El rendimiento relativo (Y) a cualquier salinidad excedida ECt puede, por lo tanto calcularse por la ecuación siguiente: Y=100-s(ECe-Ect) Donde ECe>ECt. El umbral de tolerancia de los cultivos —que es la concentración de sales a la cual declina el rendimiento— es muy sensible a las interacciones del medio ambiente. Los valores del umbral dependen de la medida de precisión y el método por el cual la salinidad es medida, integrando el área, profundidad y tiempo. Por esta razón, existe un alto grado de error en evaluar la pendiente (rendimiento) a las concentraciones de sales, cerca de los umbrales de salinidad. Pocos estudios de salinidad incluyen suficientes repeticiones para determinar los valores óptimos del umbral salino. Para propósitos prácticos, la tolerancia a alta salinidad tiene poca importancia económica y las medidas a altas concentraciones de sales pueden desvirtuar proporcionalmente la curva de tolerancia a la sal. Por estas razones, la mayoría de los valores realmente creíbles para cultivos con tolerancia a sal responden a estudios donde el valor de reducción del rendimiento es reducido en 50% (C50). El valor C50 puede ser calculado cuando existen pocos datos para proveer una información confiable sobre el umbral y la caída del rendimiento. Datos reales para describir los efectos de la salinidad pueden ser solamente obtenidos de experimentos cuidadosamente controlados y bien repetidos considerando 161

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

un amplio rango de salinidades. Con el fin de proveer información útil a los agricultores, de los daños potenciales a la salinidad a los cultivos, se ha compilado información para 127 especies de cultivos, las cuales incluyen 68 especies herbáceas, 10 especies leñosas y 49 ornamentales (Mass y Hoffman, 1977; Mass y Grieve, 1990). Aproximadamente, 20 especies de cultivos herbáceos están dentro de la clasificación de vegetales. Estos datos ayudan a los agricultores a decidir si sustituirán especies más tolerantes en su rotación, cuando el potencial de daño indique que los rendimientos esperados se puedan volver económicamente desastrosos. Es importante mencionar que la variabilidad para tolerancia a sales, basada en los datos de rendimiento, es un tema que a la fecha no ha sido adecuadamente explorado. Factores ambientales importantes que muestran interacción significante con salinidad incluyen: la temperatura, el viento, la humedad, la luz y los contaminantes del aire. Las altas temperaturas y la baja humedad del ambiente pueden disminuir la tolerancia de los cultivos a la salinidad. Otros dos factores ambientales que pueden influir en los efectos de la salinidad incluyen: niveles atmosféricos elevados de bióxido de carbono y ozono. La salinidad causa una restricción del volumen de aire y del intercambio de este entre los estomas de las hojas y el ambiente. Esto, usualmente, mejora el uso eficiente del agua en las plantas, aunque puede reducir las cantidades de dióxido de carbono (C0 2 ) que podría ser fijado por la planta y ser usado para el crecimiento. Altas concentraciones de C0 2 en el aire producen lo que se llama efecto de invernadero, el cual puede a ayudar a mantener favorablemente la asimilación de carbono, al mismo tiempo que se pierde agua a través de los estomas, al estar abiertos. La salinidad y los riegos abundantes en la zona de la raíz aumentan grandemente la asimilación de sales, comparada con condiciones sin riegos excesivos (Maas y Hoffman, 1977; Neumann et al., 1994). Estos efectos pueden inducir condiciones anaerobias que causan fallas en el transporte activo y en el proceso de exclusión, en la membrana de la raíz. La tolerancia a la salinidad, en condiciones de suelos bien drenados, puede ser totalmente diferente de aquella en condiciones de exceso de riegos. La salinidad disminuye la velocidad de germinación y, a altas concentraciones, reduce el porcentaje de germinación.

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TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

Mecanismos de tolerancia a la sal de las halófitas Fisiología de la tolerancia halófita a la sal Para comprender cuáles son los mecanismos de tolerancia o estrategias que adopta la planta para enfrentar un ambiente adverso, es inevitable preguntarnos ¿cuáles son las características fisiológicas relacionadas para la supervivencia y la productividad de plantas en ambientes de alta salinidad? y ¿cuáles son las diferencias entre las especies no tolerantes y las tolerantes a la sal? Para responder a estas preguntas, se hace referencia a algunas de las características de las halófitas que pueden dar claridad para el mecanismo fisiológico sobre tolerancia: 1) Suculentas que puedan sacar una solución de sales intracelulares, como ocurre con Salicornia spp. 2) La presencia de glándulas excretoras de sales que reducen la concentración de sales en la planta. 3) Desarrollo de pequeñas hojas, almacenando hilos de agua en el parénquima. 4) Un rango de potencial de agua de -2 a -4 MPa, que es equivalente a una concentración de iones de 400 a 700 mM (en especies de Salicornia rubra, los iones sodio y cloro hacen un total de 75 a 93% del potencial osmótico). 5) Especies que se mantienen principalmente de una asimilación elevada de iones y con concentración interna de los mismos para mantener el turgor. 6) Algunas veces hay síntesis y acumulación de solutos orgánicos que ayudan en el mantenimiento de la turgencia. La comprensión de la distribución de iones de sales en las plantas es necesaria para entender el fenómeno de la tolerancia. En las plantas halófitas, más de 90% del sodio está en la parte aérea de las plantas, presentando una mayor concentración en las hojas. La traslación de las sales fuera de las hojas es nula. Cuando el sodio es aplicado a las hojas, queda ahí y no es trasladado a otras partes de la planta. Estos antecedentes difieren con el potasio, el cual es realmente móvil. El sodio también se acumula en las vacuolas de las células cuando las concentraciones de las sales pueden alcanzar niveles elevados. Las hojas de plantas bajo estrés a sal frecuentemente contienen una alta concentración inusual de azúcar, como resultado de los efectos del estrés sobre la traslación del floema o una reducción del tamaño por la reducción del crecimiento. Asimismo, es importante hacer notar que en todas las plantas sanas existe un equilibrio en sus procesos fisiológicos y metabólicos, dando como resultado una eficiente 163

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

transformación de los nutrimentos en materia seca. Cuando existe un equilibrio en los procesos fisiológicos como: transpiración, respiración, fotosíntesis, nivel hídrico de la planta, etc., la producción de materia seca se incrementa; en ello intervienen una serie de factores externos a la planta, tales como la disponibilidad de agua en el suelo, el efecto de adecuadas temperaturas, tipo de suelo, absorción de nutrimentos y los efectos de estrés de sales y déficit de agua. Bajo condiciones de estrés, las plantas presentan estados de alteración que pueden ser cuantificados por diversos métodos. Las alteraciones en el comportamiento del crecimiento, básicamente, son muy variadas, pero, en forma generalizada, mantienen en tensión a la planta, por lo cual esta no se desarrolla de acuerdo con su potencial. Fundamentalmente, las plantas bajo estrés de sal y agua presentan una conducta generalizada de pérdida de crecimiento, acompañada de la disminución de la elaboración de materia seca, indicando una baja eficiencia de los procesos metabólicos, por unidad de nutrimentos asimilados, agua y niveles de energía radiante. A continuación se citan algunos aspectos relevantes de parámetros fisiológicos en las plantas tolerantes a la salinidad: Fotosíntesis-Transpiración. El efecto de la salinidad en los radios fotosintéticos de halófitas está siendo investigado, con mucho interés, bajo condiciones de campo y laboratorio, para obtener el grado de tolerancia a la salinidad. Recientemente, investigadores determinaron que las causas que reducen una actividad fotosintética están basadas en cuatro categorías: 1) disminución en la conductancia estomática; 2) reducción en la actividad de la enzima carboxilasa; 3) indisponibilidad en el sustrato de la enzima fijadora de C0 2 , y 4) inhibición de la luz en los mecanismos de reacción. Resultados concernientes a la salinidad sobre respuestas bioquímicas indican que también las halófitas pueden estar sujetas a un estrés. No obstante, es importante resaltar que algunas halófitas pueden no verse inhibidas hasta con 450 meq/litro. Por otra parte, la transpiración en general es afectada por varios factores que alteran la tasa de la misma, como es el hecho de que una especie tenga un área foliar total mayor que otra. Sin embargo, también esta puede diferir por unidad de área foliar. Factores tales como la presión de difusión del agua en las células, el grosor de la cutícula, el tamaño y número de los estomas, y la posición de los mismos (que estén al ras de la epidermis o hundidos por debajo de la superficie epidérmica general), pueden influir en la tasa de transpiración en cualquier especie de planta. La transpiración es más lenta en los días fríos y nublados, que en los cálidos y soleados. Esta variación en la tasa de transpiración resulta del interfuncionamiento de dos factores básicos: 1) condición estomática (estomas abiertos o cerrados) y 2) diferencia en la presión de difusión del vapor de agua en los espacios intercelulares y el aire. Los estomas están usualmente cerrados por la noche y al final de la tarde, en días 164

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFILAS

cálidos y soleados, pero, en general, están abiertos a otras horas del día. Cuando los estomas están cerrados, la tasa de transpiración es muy lenta, ya que, por lo común, la transpiración es muy lenta por la cutícula. La concentración del vapor de agua en el aire exterior es —casi siempre— mucho menor que en la hoja, dando como resultado la difusión de las moléculas de agua hacia afuera. La transpiración es más rápida en el aire seco de un desierto, que en el aire húmedo de un bosque. Un aumento de temperatura da como resultado un incremento marcado en la tasa de transpiración. Si una hoja está al sol, en vez de estar a la sombra, tendrá una temperatura varios grados más alta que la del aire circundante y, de esta manera, la tasa de transpiración será más alta. Este fenómeno, provocado por la elevación de la temperatura, da por resultado la pérdida de grandes cantidades de agua y, frecuentemente, el marchitamiento de las plantas, que es la pérdida de turgencia de las células. Es importante distinguir dos tipos de marchitamiento; uno es permanente y responde a la falta del agua del suelo que la planta puede absorber, el otro es el marchitamiento temporal, el cual ocurre cuando hay suficiente agua del suelo, pero la tasa de transpiración excede a la tasa de absorción del agua. Las plantas se recuperan del marchitamiento temporal cuando la tasa de transpiración cae por debajo de la tasa de absorción. El marchitamiento temporal es muy común en días cálidos y soleados. Ajuste osmótico. En un gran número de especies se han observado gradientes y cambios de potencial osmótico; tales diferencias osmóticas se han fundamentado adecuadamente para las plantas del desierto. En fechas recientes, se ha enfocado el interés hacia el ajuste osmótico, la conservación de la turgencia y el crecimiento. De aquí que la turgencia es esencial para el alargamiento celular y para el crecimiento. La turgencia puede mantenerse, incrementando la concentración osmótica y la elasticidad o disminuyendo el tamaño de las células. La relación entre los diferentes potenciales se resume en la ecuación conocida: W= s + p + m Donde: w= potencial hídrico, s= potencial osmótico, p= turgencia o potencial de turgencia, m= potencial de la matriz. Murillo et al, (2007) sugirió que el ajuste osmótico tiene varias ventajas esenciales y algunas limitaciones. Entre las ventajas se incluyen: a) la conservación de la turgencia celular; b) la continua elongación celular; c) la conservación de la fotosíntesis y la apertura de los estomas; d) la sobrevivencia a la rehidratación, y e) la mayor exploración del suelo por las raíces. Las limitaciones incluyen la transitoriedad del ajuste osmótico: las plantas rehídratadas pueden perder gran parte de su ajuste osmótico en el término de 10 días. Una segunda limitación se refiere al límite finito del ajuste. 165

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

También está descrito que el ajuste osmótico requiere, cuando menos, tres tipos de adaptación con respecto a la homeostasis iónica individual: 1) la capacidad para la captación controlada, pero rápida, de Na+ y Cl- en las células, para soportar el crecimiento dirigido por la turgencia; 2) secuestro eficiente de Na+ y Cl- en las vacuolas celulares, y 3) mecanismos que mitigan los efectos de la entrada excesiva de NaCl en la planta. En este sentido, es importante hacer notar que en el citoplasma se mantienen niveles no tóxicos de Na+, debido a la acción de enzimas extracelulares de la pared celular en las halófitas que son extremadamente tolerantes a la sal (Thiyagarajah et al., 1996), Para ello, se activa un sistema de transportasas de iones en la membrana plasmática, los cuales importarán Cl" hacia el interior de la célula y exportarán Na+ hacia el exterior de ella; un similar comportamiento se da a nivel de tonoplasto, donde se secuestran Na+ y Cl- para la vacuola, repercutiendo en una turgencia celular que mantiene almacenando NaCl en la vacuola, conteniendo hasta 90% del mismo, o más, en el agua celular. Asimismo, se produce una síntesis de solutos orgánicos, ajustando el potencial hídrico en el citoplasma, los cuales tienen la función osmo-protectora, estabilizadora de membranas y enzimas y como eliminadores de radicales libres en un entorno altamente osmótico (Bohnei-t et al., 1995). Comúnmente, se ha reportado que el potencial osmótico de la hoja disminuye cuando se añade un medio osmótico a las raíces, o cuando las plantas se mantienen de manera natural en agua salina. Sin embargo, se debe diferenciar entre si el potencial osmótico disminuyó debido a la absorción del medio osmótico, o si los solutos se generaron internamente. Se ha determinado que los azúcares solubles se incrementan bajo la tensión hídrica, y parece que son la causa principal del aumento de solutos. Otras posibilidades incluyen la participación de la prolina en el ajuste osmótico de microorganismos y de algunas halófitas. Se han sugerido otros agentes que participan en el ajuste osmótico, como el potasio, los alcoholes provenientes de carbohidratos y los ácidos orgánicos. Aumento del tamaño de la hoja. En particular, el aumento del tamaño de la hoja es sensible a la tensión hídrica, si es moderada. Boyer (1982) encontró que la mayor tasa de crecimiento foliar de glicófitas, como maíz, se presentó cuando los potenciales hídricos de las hojas fueron de -1.5 a -2.5 bares, pero a -4 bares declinó 25% de los valores, con referencia al control. Los periodos cortos de sequía pueden disminuir el crecimiento (Aceves, 1976) y las tasas de crecimiento normal se pueden retomar cuando los potenciales hídricos son de —aproximadamente—-2 bares. Sin embargo, la sequía prolongada puede afectar el rendimiento subsecuente: las hojas no crecen a la tasa de crecimiento original después de rehidratarlas (Boyer, 1982). Lunin et al., (1963) observaron las tasas de crecimiento de las hojas, hídricamente afectadas, de Panicum máximum después de volverlas a rehidratar. Después de la rehidratación, la tasa de elongación de plantas afectadas fue mayor que la de las 166

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

plantas controladas por más de 33 horas. Una prueba que ha sido sugerida por los fitomejoradores es buscar líneas que mantengan el desarrollo foliar a potenciales hídricos reducidos. Además de reducir el aumento del crecimiento de la hoja, la influencia hídrica puede activar también la senescencia de la misma. Sin embargo, no está claro todavía hasta qué grado esta senescencia inducida por la sequía representa: a) una reducción en el área de transpiración de la hoja, o b) un movimiento de los compuestos nitrogenados y de los azúcares hacia afuera de las hojas senescentes, para participar en la formación del grano. Comportamiento de los estomas. Turner (1980) ha demostrado la relación entre el potencial hídrico de la hoja y la conductividad de los estomas para varias especies. El potencial hídrico, al cual se cierran los estomas, está afectado por una serie de factores, entre los que están: la edad, las condiciones de crecimiento, la ubicación de las hojas y los antecedentes de influencia hídrica de la planta (Turner, 1980). Kaiser et al., (1993) también demostró que hubo una disminución de la tasa de intercambio de C0 2 con la edad; asimismo, hubo una disminución en la capacidad fotosintética foliar interna. Se sugirió que la disminución observada se debió a la capacidad de los estomas para permanecer abiertos, o que los estomas estuvieron funcionando por un proceso de retroalimentación del C0 2 que mantuvo la difusión estomática de este a un nivel constante. La eliminación de frutos en el crecimiento puede ocasionar también el cierre parcial de los estomas. La enzima peroxidasa: definición y funcionalidad. El nombre de peroxidasa fue dado por Lonossier, quien la aisló en 1898, a partir de la pus. Las peroxidasas (oxidorreductasa identificada con el código E.C. 1.11.1.7) son un grupo heterogéneo de enzimas porfirínicas, las cuales catalizan reacciones en las que el peróxido de hidrógeno actúa como aceptor de electrones. En los últimos 50 años ha aumentado el interés par el estudio de esta enzima. La reacción catalizada por esta enzima es: AH2 + H202 A + 2H20, siendo AH2 un fenol, ácido p-aminobenzóico, p-fenildiamina, ácido ascórbico o formas leuco indicadoras de oxidación-reducción. También oxida al fitocromo C. La peroxidasa que se ha estudiado más a fondo es la del rábano silvestre, contiene 1.45% de hemina, con un peso molecular que varía de 40 a 50 mil daltons (Berman, 1985), encontrándose, en ella, un átomo de hierro por molécula de proteína. La peroxidasa presenta un átomo de hierro por molécula de proteína y se disocia en una mezcla de acetona x HC1 a -150 °C; la ferroporfirina permanece en solución, en tanto que la proteína sin pigmento se precipita. La fracción protéica es catalíticamente inactiva, pero, si se le añade hemina (preparada a partir de hemoglobina) a un pH de 7.5, se restablece en gran medida la actividad catalítica original. Los análisis específicos de la peroxidasa del rábano indican que consiste en un grupo hemin prostético, 2Ca2+ y 308 residuos de 167

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

aminoácidos, incluyendo 4 puentes disulfuros; el punto isoeléctrico es de 7.2 y el pH óptimo es de 7.0, y es inhibida irreversiblemente por cianida y sulfites a concentraciones de 10-5 M. La enzima muestra una especifidad, y su actividad es observada con peróxido de hidrógeno, metanol y etanol (Worthington, 1972). La localización celular de las peroxidasas ha sido objeto de varios estudios. Se ha encontrado en las paredes celulares y, dentro del citoplasma, en diferentes organelos, como en las vacuolas, plasmalema, ribosomas o lisosomas, núcleo (Gaspar et al., 1982). La localización intercelular de las peroxidasas también ha sido reportada en los espacios extracelulares. En análisis de cultivos de células en suspensión, se ha observado que las peroxidasas son secretadas hacia el medio de crecimiento, para el caso de algunas plantas (Fry, 1980; Moreno et al., 1989). Procesos fisiológicos en los que intervienen las peroxidasas. Las peroxidasas han sido asociadas, directa o indirectamente, con varios procesos fisiológicos, incluyendo la absición, enanismo, envejecimiento, dominancia apical, tolerancia al frío (Gaspar et al., 1982), dormancia, desarrollo y maduración del fruto, germinación y desarrollo temprano, reacción y resistencia contra parásitos, expresión del sexo, tuberización, entre otras características. Además, se ha encontrado que las peroxidasas realizan varias funciones importantes dentro del crecimiento y desarrollo de las plantas, entre las que se destacan las siguientes: el catabolismo de auxinas, formación de lignina, (participan en los procesos de lignificación, por medio de la oxidación alcohol fumárico y eugenol, para producir lignina), mecanismo de defensa contra organismos patógenos generalmente, las plantas resistentes presentan una gran actividad peroxidásica, mayor que en las plantas susceptibles, después de la inoculación con organismos patógenos; además de la resistencia natural a la infección, la resistencia puede ser inducida después de la primera infección, o por agentes físicos o químicos. En la respiración, las mitocondrias son una posible fuente de peroxidasas (Gaspar et al., 1982). Se ha sugerido que la peroxidasa puede proveer una ruta alternativa para la oxidación o reducción de la nicotinamida adenina dinucleotido (NAO). La citocromo C peroxidasa es otro ejemplo de peroxidación dentro de los procesos metabólicos, dentro de las condiciones normales de peróxidos, hay una producción de oxígeno, lo que demuestra la participación de la peroxidasa dentro del transporte electrónico, organogénesis y eliminación de productos tóxicos del oxígeno. La reducción biológica del oxígeno está acompañada de la producción de radicales libres que son peligrosamente reactivos. Los radicales libres de oxígeno son productos normales del metabolismo anaeróbico; la sobrevivencia de los seres que los producen depende de un sistema de defensa enzimático. La reducción completa de una molécula de oxígeno requiere de 4 electrones, y los intermediarios aparecen conforme sucede la reacción; estos son: el radical superóxido (O2), el radical peróxido de hidrógeno (H202) y el radical hidroxilo (OH-). El radical 168

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superóxido es eliminado por la enzima dismutasa (E.C. 1.15.1.1), lo cual cataliza su producción a peróxido de hidrógeno y oxígeno (Frindovich, 1957). El peróxido de hidrógeno es removido por la catalasa (E.C. 1.11.1.6.), la cual lo transforma en agua y oxígeno (Fry, 1980), y por la peroxidasa, la cual lo reduce a agua, empleando una gran variedad de reductores disponibles en la célula. Es evidente que una eficiente eliminación del 02 y H2 02 evita la formación de radicales hidroxilo (OH"), lo cual es afortunado, ya que el radical hidroxilo reacciona fuertemente con muchas sustancias químicas, y su remoción biológica sería imposible porque no existe ninguna enzima que lo descomponga. La actividad de la peroxidasa como indicador de estrés. Las peroxidasas han sido utilizadas como indicadores bioquímicos debido a que su actividad y composición cambia con el estado fisiológico del organismo (Lobarzawsky et al., 1991). Las peroxidasas han sido envueltas en numerosos procesos fisiológicos y bioquímicos, tales como la elongación y crecimiento celular, diferenciación y desarrollo, el catabolismo de las auxinas, lignificación, así como respuesta a estrés, tanto abiótico como biótico. De acuerdo con la literatura, las plantas responden tanto a estrés interno, como externo, mostrando un incremento en la actividad peroxidásica. Sin embargo, unos pocos reportes muestran una disminución en esta actividad. Muchos estudios han indicado una correlación entre altos niveles de actividad peroxidásica y bajos niveles de crecimiento en las plantas. La actividad peroxidásica ha sido usada en estudios, como indicador de estrés en las plantas con exceso de hierro, cobre, zinc, NaCI y otros metales. Casi todos los tipos de estrés han aumentado la actividad peroxidásica en las plantas afectadas, pero en algunos estudios se ha reportado una actividad contraria (Stevens et al., 1978; García et al., 1993). A pesar que en la actualidad no se ha demostrado que cada isoenzima es producto de un gen, es evidente que cada genotipo tiene un patrón enzimático reconocible y que los híbridos muestran, generalmente, patrones aditivos de las peroxidas de los progenitores. Las isoenzimas pueden ser usadas como marcadores bioquímicos de expresión del sexo, ya que se han encontrado diferencias en cuanto a la actividad en el gineceo, en comparación con el androceo, de plantas de calabaza. La actividad peroxidásica también puede ser un indicador de diferentes niveles de iones y es un marcador bioquímico de varios tipos de contaminación. Las peroxidasas vegetales han sido usadas frecuentemente como marcadores para estudios de la respuesta de las plantas a varios contaminantes del aire como floururos, ozono, nitrato, sulfato, plomo, zinc y ácido clorhídrico. Todas estas aumentan la actividad de las peroxidasas en las plantas afectadas. En algunos casos, se ha encontrado un cambio en el patrón electroforético de las isoperoxidasas.

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LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

El ácido abscísico (ABA) ante el estrés osmótico. El ABA es una hormona vegetal cuyo precursor es el isopentenil difosfato. Este derivado carotenoide tiene dos isómeros cis y trans, interconvertibles entre ellos, en la planta, y dos enantiómeros R-S, los cuales no son interconvertibles. La funcionalidad de esta hormona recae sobre la cadena lateral de cinco carbonos. Se sintetiza en los plástidos, fundamentalmente en los cloroplastos. Al hablar de estrés salino, hablamos de un estrés producido por ciertos iones que, en un determinado nivel de concentración, producen estrés iónico y/o estrés osmótico. El estrés salino es estrés iónico sumado a estrés osmótico: estrés salino = estrés iónico + estrés osmótico. Lo anterior influye para que se manifieste, a nivel celular, una señal inicial (ya sea de sequía, salinidad o estrés por frío), y la expresión de genes específicos sea llevada a cabo mediante cascadas de señales de transducción, dependientes e independientes del ABA. El ABA posee muchas funciones durante el crecimiento y desarrollo de las plantas, pero la principal función es regular el balance de agua y la tolerancia al estrés osmótico. Los patrones de expresión de los genes inducibles por estreses abióticos son complejos, y muchos de ellos son inducidos también por la aplicación exógena de ABA, aunque es importante indicar que algunos genes inducibles no responden a ciertos estreses abióticos. La acumulación de ABA inducida por estrés osmótico, es una combinación de la activación de su síntesis y la inhibición en su degradación. Aunque nada se sabe de la señalización entre la percepción del estrés y la inducción de los genes de biosíntesis, el conocimiento actual sugiere que están involucradas señales de Ca2+ y cascadas de fosforilación de proteínas (Zhu, 2003).

Desempeño de las halófitas en la germinación y la variación poblacional El éxito de las poblaciones halofíticas, especialmente aquellas con un ciclo de vida anual, las cuales tienen solo una oportunidad en su vida para reproducirse, radica principalmente en la respuesta germinativa que tengan este tipo de plantas a la salinidad, sobre todo cuando la fuerza evaporativa del ambiente es sumamente marcada en los meses de verano, los niveles de sales tienden a incrementarse en la superficie del suelo y los potenciales hídricos son más negativos. En las halófitas, la germinación usualmente ocurre en un periodo del año, cuando los niveles de sales tienen a disminuir, lo que permite un establecimiento exitoso de plántulas que, con el paso del tiempo, manifestarán un incremento de tolerancia a la salinidad. Generalmente, las condiciones salinas de los suelos, en la germinación de las halófitas, son predictivas para las semillas. Numerosos estudios, a través de monitoreos realizados, indican el periodo 170

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

de germinación de ciertas especies. Asimismo, indican cómo la salinidad, al incrementarse, puede inhibir la germinación, afectando la primera etapa de desarrollo de una halófila. Se ha obtenido, a partir de estudios de germinación, que la inhibición de la germinación por la sal presenta dos rutas: 1) la alta concentración de sales en el agua causa una completa inhibición en la germinación, aun cuando en las restantes etapas fenológicas tolere altas concentraciones de sales, y 2) la salinidad causa un estrés, repercutiendo en bajos porcentajes de germinación. Al respecto, cabe indicar que existe una variablidad entre plantas en términos de niveles de tolerancia a la salinidad, que pueden inhibir o retrasar la germinación. La respuesta de germinación de semillas, tanto de halófitas como glicófitas, es altamente variable a la salinidad. Se ha enfatizado cómo diversos iones específicos afectan significativamente la distribución y crecimiento de especies halófilas. La distribución de halófitas en Norteamérica indica que esas especies son ampliamente tolerantes a diversos iones y combinaciones entre sí. Tal es el caso de Puccinellia nuttalliana, Distichlis stricta, Suaeda depressa, Salicornia rubra, entre otras especies, las cuales se caracterizan por desarrollarse en suelos salinos ricos en iones como cloro, sulfatas, carbonatas y cationes como sodio, potasio y magnesio. Repercutiendo, esos datos de distribución, en que indique cierto grado de especificidad a iones en el periodo de germinación. Diversos estudios revelan que las poblaciones máximas de germinación de halófitas costeras son, principalmente, en el periodo de lluvias, repercutiendo en la disminución del contenido de sales; periodo que consiste en los meses de noviembre y marzo del siguiente año. Unos de los factores que puede ser de los más significativos en determinar la germinación de semillas, crecimiento y distribución, son los potenciales hídricos para especies que se desarrollan en el desierto; mientras que para aquellas que se desarrollan en los sistemas costeros, son los daños mecánicos causados por las mareas, las inundaciones constantes y, por supuesto, el factor salinidad. Por otra parte, investigaciones relacionadas con la ocurrencia poblacional de plantas tolerantes a la salinidad en un área determinada indican que está ampliamente correlacionada con la producción de ecofenos y ecotipos; ya que si una determinada especie está limitada a germinar a bajas concentraciones de sales y es sujeta a altas concentraciones de sales, puede ser que esas semillas entren en un estado de dormancia hasta que las condiciones de salinidad sean las apropiadas para una germinación. Estudios comparativos con especies halófitas de un solo género —por ejemplo, genotipos dentro de una especie, tales como Atriplex canescens y Salsola kali—, mostraron que la tolerancia a la sal de las halófitas puede ser correlacionada positivamente con la capacidad de captar Na en los tallos. Las halófitas, en sus subsiguientes etapas fenológicas, utilizan la captación controlada de Na+ (balanceada con Cl- y otros aniones) dentro de las vacuolas celulares 171

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

para dirigir el agua que está dentro de la planta, contra un bajo potencial externo de agua. Generalmente, las halófitas dicotiledóneas acumulan más NaCl en los tejidos de sus tallos que las halófitas monocotiledóneas, llevando a que los investigadores caracterizaran a las primeras como inclusoras —es decir, plantas con células osmoconformadoras, manteniendo en el tallo una presión osmótica, aproximadamente, de 2 a 3 veces más alta que la osmolaridad de la solución externa— y a las segundas como exclusoras. Sigue pareciendo que el fortalecimiento de los mecanismos de exclusión es la principal estrategia de los investigadores que tratan de mejorar la tolerancia de los granos a la sal, aunque los pastos estén caracterizados como exclusores estrictos, debido a su menor volumen vacuolar celular y su bajo contenido de agua en las hojas; lo contrario ocurre con las inclusoras.

Análisis molecular de la tolerancia a la sal Cada vez se hace más importante la mejor utilización de los recursos naturales para hacer más eficiente nuestro medio ambiente. La disponibilidad de agua dulce para usos agrícolas continúa reduciéndose, debido en parte al incremento en las necesidades de la población, sumado a la reducción de agua en el subsuelo y reservas de la superficie. Además, algunos lugares del Noroeste de México, África, India, Pakistán, entre otros, especialmente las áreas cercanas a la costa, se han visto afectadas por la alta incidencia de sales en los pozos agrícolas. Lo anterior se agrava cuando se reduce la precipitación pluvial, la cual normalmente es muy baja en esas zonas desérticas y semidesérticas, donde los cultivos se producen con agua de riego. En la actualidad se incrementa la necesidad de producir cultivos que sean tolerantes a sales, ya sea incrementando el uso del fitomejoramiento tradicional que actualmente se realiza en ciertas especies de cultivos, o por medio de herramientas de la ingeniería genética, haciendo posible transferir información genética de casi cualquier organismo, hacia plantas cultivadas, sugiriendo un avance considerable en la tolerancia a sales de los cultivos en un futuro. Sin embargo, para poder realizar cualquier tipo de mejoramiento de los cultivos, se requiere la identificación de las características deseables y/o los mecanismos que van a ser transferidos. En relación con esto, Cheeseman (1988), en su revisión sobre ingeniería genética de la tolerancia a sales, menciona que, aparte de los aspectos técnicos de cortar y unir genes para introducirlos en nuevos organismos, es necesario identificar características útiles; concluyendo, además, que es poco lo que se conoce en relación con la respuesta celular de las plantas hacia el estrés osmótico. 172

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

El método típico de estudio de la tolerancia a sales es comparando plantas tolerantes y sensibles, expuestas y no expuestas a alta salinidad; observando las respuestas a la sal agregada. Entre los ejemplos de tales respuestas, se encuentra la producción de ciertas proteínas o de grandes cantidades de solutos compatibles, tales como prolina o glicinebetaina. El problema de usar tal método es que son difícil de distinguir aquellas respuestas que son netamente de adaptación al exceso de sal, con aquellas que son el reflejo de lesiones metabólicas. Existe un método alternativo que solo es posible con halófitas verdaderas. Estas plantas no solo toleran y requieren altas concentraciones de sal para crecer y completar su ciclo de vida (Waisel, 1972; Flowers et al., 1977), sino que responden positivamente a la sal (Waisel, 1972). Uno de los efectos positivos de la salinidad en plantas halófitas es la estimulación del crecimiento (Yeo y Flowers, 1986; Glenn y O'Leary 1984; Matoh et al., 1986; Rozema, 1975). Estas halófitas verdaderas, como Salicornia bigelovii (Torr.), se han adaptado tan bien a ambientes de alta salinidad, que han perdido la habilidad de desarrollar adecuadamente, bajo condiciones de baja salinidad (Ayala y O'Leary, 1995), salinidades que son aún suficientemente altas para inhibir el crecimiento de glicófitas (grupo de plantas al que pertenecen la mayoría de los cultivos agrícolas). Así, la salinidad óptima de crecimiento se ha movido de cero, en glicófitas y halófitas menos tolerantes, a 50-200 mM NaCI, en halófitas altamente tolerantes a sales (halófitas verdaderas); observándose reducciones en el crecimiento, a salinidades menores (subóptima) y mayores (supraóptima). Cualquier mecanismo de tolerancia a sales que ha evolucionado en plantas desarrollándose bajo condiciones altamente salinas, como en el caso de las halófitas verdaderas, funciona a su máximo en alta salinidad, pero no funciona tan bien a salinidad baja. Esto trae como consecuencia una reducción en el crecimiento y rendimiento, al someter a salinidad subóptima a una halófita verdadera. Si comparamos las respuestas de estas plantas desarrollándose a salinidad subóptima, con plantas desarrollándose a salinidad óptima, es posible identificar las respuestas que son netamente de adaptación a sales, distinguiendo las que son resultado de lesiones metabólicas u otras formas de daño celular. Una gran cantidad de trabajos de investigación se ha enfocado a identificar las respuestas de ambas (glicófitas y halófitas) y, comparativamente, muy poca atención se ha dado a responder a la pregunta de porqué las plantas altamente adaptadas a sales han perdido la habilidad de crecer adecuadamente a salinidades menores de 100200 mM NaCI. Respuestas a esa pregunta contribuirían a acrecentar nuestro conocimiento de cómo las plantas se han adaptado a condiciones altamente salinas y darían una gran ayuda para determinar qué procesos fisiológicos deben ser el blanco para mejorar genéticamente la habilidad de los cultivos de tolerar salinidades mayores. 173

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Un mejor conocimiento de los mecanismos de tolerancia a sales usados por las halófitas puede permitir nuevos esfuerzos para mejorar la tolerancia a sales. Sin embargo, la aplicación práctica del conocimiento ganado con la aplicación de nuestro método depende de entender las bases genéticas de la tolerancia a sales. Por tal razón, es importante determinar el grado relativo de los efectos genéticos y no genéticos sobre estas respuestas. Entendiendo mejor estos factores, tendríamos las herramientas para determinar la factibilidad de mejoramiento genético de procesos específicos asociados con la tolerancia a sales en halófitas, y podríamos desarrollar métodos para mejorar directamente la expresión de estas características en poblaciones de glicófitas. En este sentido, es importante hacer notar que, en la línea de investigación dirigida a la identificación de genes de expresión diferencial ante el estrés salino, se han identificado una serie de genes cuyos productos actúan, de forma directa o indirecta, en respuesta a los efectos de la sal. En la acción directa pueden considerarse los productos génicos que conforman proteínas antiporter de Na + H + , de la membrana plasmática o del toplasto (membrana vacuolar), las cuales movilizan al Na+ fuera de la célula, o bien, lo acumulan en el interior de la vacuola. Dentro de este grupo debe considerarse también el conjunto de productos génicos involucrados en la activación de dichas proteínas intercambiadoras de sodio. También, en la acción directa, se encuentran los genes que codifican para las enzimas responsables de la síntesis de los llamados osmoprotectores, de gran importancia para la supervivencia de la planta bajo este tipo de estrés abiótico. Otro importante grupo de genes son los encargados de la homeostasis de agua dentro de la planta; entre ellos destacan los genes para acuaporinas y los que codifican para las proteínas encargadas de regular el cierre estomático, los cuales suelen ser los mismos genes que participan en el estrés por sequía y frío, ya que son inducidos por el efecto osmótico. En la acción indirecta han sido identificados un importante número de genes cuyos productos son de eliminación de radicales libres, y los cuales actúan después de la formación de elementos reactivos de oxígeno (ROS), el cual es un efecto bastante común de diversos tipos de estrés abiótico. Estos productos génicos están participando activamente en la protección del efecto nocivo de los elementos ROS en la membrana citoplasmática y en diversos organelos, tales como mitocondrias y cloroplastos. De acuerdo con los antecedentes previos, la tolerancia al estrés salino aparece como un problema multifactorial y, por lo tanto, de difícil solución; más aún cuando los grados de tolerancia a la salinidad de una planta pueden ser muy distintos en los diferentes estados específicos de su ontogenia, tales como: germinación y emergencia, crecimiento y sobrevivencia de la plántula, y crecimiento vegetativo y reproductivo. 174

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

Los primeros avances conducentes a la generación de variedades cultivables de una relativa tolerancia a la salinidad, vinieron desde la genética clásica, asociados con técnicas de biología molecular que permitieron la identificación de QTLS (quantitative trait loci) específicos de la tolerancia a la sal, en tomate y arroz. Sin embargo, los programas de mejoramiento genético de las especies cultivables, solo han podido lograr variedades moderadamente sensibles al estrés salino, en todos los estados de desarrollo de la planta. Al respecto, el grupo de investigación del doctor Eduardo Blumwald, de la Universidad de California Davis, ha logrado aumentar la tolerancia a este tipo de estrés en plantas transgénicas de tomate, canola y A. thaliana, con la sobreexpresión de un único gen que codifica para un antiporter vacuolar de K+/Na+. En estas plantas, el sodio es acumulado en hojas, observándose, además, que los frutos y las semillas no son afectados en su calidad. Similares resultados han sido mostrados en Arabidopsis thaliana cuando es sobreexpresado el gen sos], el cual corresponde a un antiporter K+/Na+ de la membrana plasmática, y también cuando se ha realizado la sobreexpresión del gen AVP], el cual codifica para H+-pirofosfatasa vacuolar. Estos resultados sugieren que la forma más rápida de incrementar la tolerancia a la sal consiste en aumentar la razón K+/Na+ en el citosol de las células vegetales, lo cual se consigue mediante la extrusión del sodio y/o por la acumulación de este en las vacuolas. Se ha sugerido que una estrategia alternativa consistiría en aumentar la proporción de transportadores más selectivos de K+, en la raíz de la planta. Por su parte, el laboratorio de Biología Celular y Genética de la Universidad de Talca, en Chile, debido a que Lycopersicon chilense es una planta silvestre de tomate que ha logrado subsistir en condiciones de alta salinidad del suelo y de escasez hídrica, y a que se distribuye entre los 100 y los 3 mil metros de altitud, en el desierto de Atacama, esta ha sido objeto de estudio en los últimos años, para estudiar los genes de expresión diferencial que se estaban manifestando durante el estrés por NaCl. En el año 2002, en conjunto con la Fundación de Innovación Agraria (FIA), dieron inicio a una investigación, con la finalidad de dilucidar si esta planta absorbía el sodio, o bien, gran parte de él era excluido por las raíces. Los resultados mostraron que el sodio era abundantemente absorbido y que en su mayoría era acumulado en las hojas, lo cual sugería que esta planta desarrollaba mecanismos moleculares eficaces para contrarrestar el efecto osmótico y tóxico ocasionado por la sal. Con estos antecedentes, el aislamiento y caracterización de genes diferencialmente expresados se realizó mediante las técnicas de differential display y PCR-Select, identificando más 20 genes implicados en distintos procesos metabólicos y de regulación de estructuras celulares; seleccionándose aquellos que, por las características 175

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

funcionales de sus productos génicos, aparecían más interesantes por su implicación procesos y estructuras claves para el óptimo funcionamiento de la planta. Entre los genes seleccionados figuran aquellos de mantenimiento de la funcionalidad de la maquinaría fotosintética, la regulación del cierre estomático, la impermeabilización de la hoja, la regulación del gradiente electroquímico de protones, y los de síntesis y acumulación de osmolitos compatibles. Algunos de ellos son también expresados cuando las plantas son sometidas a estrés por deshidratación, con lo cual parecen responder al efecto osmótico, aspecto común de ambos tipos de estrés. Sin embargo, el aislamiento de los genes resultó más complejo de lo esperado, ya que la mayoría de ellos corresponden a familias multigénicas. En estas familias hay genes que son regulados de manera tejido-específico, otros, durante determinados estados del desarrollo de la planta, y, además, están los activados por el estrés, los cuales a su vez, son expresados de manera tejido-específico. Con la finalidad de llevar a cabo el objetivo de determinar el rol que desempeñan los genes aislados, en la tolerancia al estrés salino, en la planta silvestre Lycopersicon chilense, una de las estrategias fue considerar el silenciamiento de los genes en estudio, procedimiento que, de manera convencional, se ha realizado utilizando los mismos genes, pero con posición antisentido; de tal manera que, al transcribirse el gen en estudio, también se transcribe el antisentido, formándose un RNA duplex —formado por ambos RNAS mensajeros— que no puede ser traducido por los ribosomas y termina siendo degradado por las RNAasas intracelulares (enzimas que hidrolizan RNA). La otra forma de obtener silenciamiento es mediante los denominados RNA interferentes (SÍRNA), los cuales son pequeños RNAS de secuencia complementaria al RNA mensajero del gen en estudio, y, a diferencia del anterior, no se requiere la secuencia nucleotídica completa del CDNA (DNA complementario al RNA mensajero), el cual también impide su traducción y favorece su degradación. Con ambos métodos es posible silenciar toda una familia multigénica. Sin embargo, existe un detalle: cuando se pretende silenciar solo un gen de la familia, y no todos sus miembros, puede ser letal para la plantas. La otra forma de estudiar el efecto de un gen en particular es obtener su sobreexpresión en plantas transgénicas de su misma especie, o en plantas heterólogas. Dicha sobreexpresión se obtiene, regularmente, colocando la región codificante del gen bajo el control de un promotor constitutivo, como el 35S del Virus del Mosaico de la Coliflor. Sin embargo, no es el método más apropiado cuando se estudian genes de expresión tejido-específico, por lo que la transformación debe ser realizada con el propio gen, lo cual implica una caracterización más acabada de su promotor y de los elementos en cis reguladores de su expresión. Otra posibilidad es colocar la región codificante del gen bajo la regulación de un promotor de otro gen que también 176

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

se exprese en el mismo tejido, y del cual se conozca cómo puede ser inducido exógenamente. Varios de los genes aislados, actualmente, se encuentran en la fase de estudio de su rol en la tolerancia al estrés salino; y para su análisis se están utilizando algunas de las estrategias mencionadas. Sin duda, los resultados que sean obtenidos servirán como base para comprender, en parte, cómo algunas plantas halófitas logran dar solución al problema de la salinidad del suelo. Asimismo, el conocimiento generado puede ser utilizado en función del incremento de la tolerancia al estrés salino de las plantas de importancia económica, y, así, aumentar la actual superficie cultivable o, al menos, contrarrestar la pérdida anual de tierras aptas para cultivo. Aunado a lo anterior, es importante hacer notar que los genes inducidos bajo condiciones de estreses abióticos, tales como las bajas temperaturas, la salinidad y la sequía, codifican proteínas que tienen funciones de señalización, transducción de señales y protección celular, como por ejemplo: proteínas constituyentes de canales de agua, las cuales alteran el potencial agua celular; enzimas requeridas para la síntesis de sustancias protectoras (azúcares, prolina y betaína); desaturasas lipídicas, para modificar la composición de las membranas celulares; proteínas protectoras como las de tipo LEA (Late Embryogenesis Abundant) o proteínas abundantes en la embriogénesis tardía; proteínas anticongelantes; chaperonas; proteasas, y enzimas detoxificantes, como la catalasa y la ascorbato peroxidasa. Estas moléculas de señalización son activadas primero por receptores específicos, los cuales, con su activación, inician o suprimen una cascada de transducción de señales intracelulares y, en muchos casos, activan factores de transcripción nucleares que inducen la expresión de grupos específicos de genes. Como ejemplo figuran varios receptores de tipo proteín-kinasas y las histidín-kinasas, los cuales actúan como una ruta de alerta ante el estrés salino (Xiong y Zhu, 2001). Los receptores tipo proteínkinasas (RPK'sas) son localizados tanto en células de animales, como en plantas. Están compuestos por un dominio extracelular —que funciona por unión a un ligando o por interacción proteína-proteína—, por un dominio transmembrana y por un dominio kinasa intracelular. Las RPK'sas, en vegetales, actúan cuando existe una infección por algún agente de infección, o bien, en el desarrollo vegetativo. Por lo general, una forma común de señalización es la fosforilación de proteínas acoplada a receptores. Existe un sistema de dos componentes tipo histidín-kinasas en el que, cuando el sensor extracelular percibe la señal, una histidina del dominio citoplasmático se autofosforila y el residuo fosfato es pasado a un aspartate aceptor, en una respuesta regulatoria que se acopla a una cascada dependiente de MAP-kinasas (Mitogen activated); o por fosforilación directa de blancos específicos que inician la respuesta celular. Esto último ha sido demostrado en cianobacterias, donde la fluidez 177

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

de la membrana parece actuar como el primer sensor para las bajas temperaturas, repercutiendo como un disparador de histidín-kinasas, las cuales modulan la expresión de genes de desaturasas (Murata y Los, 1997; Suzuki et al., 2000). Una vez que son activadas las moléculas de señalización, existen otras moléculas consideradas como segundos mensajeros. Estudios al respecto sugieren que el Ca2+ forma parte de esos segundos procesos de señalización intracelular, puesto que en el citosol se encuentra en bajas concentraciones, pero, al ser estimulado, este es incrementado al ser liberado por reservas intracelulares. Es decir, el Ca2+ intracelular se libera a través de canales sensibles a mensajeros ligandos o a segundos mensajeros, entre los que se incluyen a los inositol polifosfatos y la ADP-ribosa cíclica (CADPR); O entrando a la célula a través de varios canales, vía cambios de voltaje —operado por receptores—, o por medio de canales específicos (revisión de Sanders et al., 1999; Órvar et al., 2000; Sangwan et al., 2001), Cuando una planta se ve sujeta a un estrés, ciertos genes de respuesta temprana (GRE) y genes de respuesta tardía (GRT) son inducidos en ella. Para los GRE, su manifestación usualmente no requiere de síntesis de nuevas proteínas, ya que estos componentes de señalización serían constitutivos. Sin embargo, los GRT son activados de manera lenta y su expresión es generalmente sostenida durante el tiempo en que el estrés se encuentra actuando. Se tiene el previo conocimiento que los GRE codifican factores de transcripción que activan a los GRT. El conocimiento previamente indicado, aunado a otros de índole molecular en respuesta a factores abióticos que producen estrés, han repercutido en la identificación de un gran número de loci's cualitativos únicos (QTL) y genes relacionados con la tolerancia a estreses abióticos. Como se mencionó, la tolerancia a estreses ambientales no depende de un único gen, sino que es un carácter poligénico, de variación continua. También ha sido demostrada la presencia de un grupo de cromosomas —en el trigo— que contiene la concentración más alta de loci, modulando la adaptación de la planta al ambiente, particularmente lo relacionado con la tolerancia a las heladas y a la salinidad; mientras que una región del cromosoma siete es crucial en la tolerancia a la sequía (Cattivelli et al., 2002). Las nuevas tecnologías para el análisis genómico por medio de microarreglos de ADN (genética directa y reversa) han generado nuevas perspectivas en el análisis genético de las especies, yendo desde estudios de un solo gen, a estudios que abarcan todo el genoma, como lo muestran Lin et al. (2003), Seki et al. ( 2001, 2002a, 2002b), Kawasaki et al. (2001), y Oono et al. (2003), al hacer uso de macro y microarreglos de ADN para estudiar genes inducidos o suprimidos en condiciones de estrés abiótico (frío, sequía, salinidad). No obstante, aún cuando la mayor parte de estos estudios se hayan realizado en Arabidopsis thaliana, los resultados obtenidos 178

TOLERANCIA A LA SAL Y POTENCIAL DE CULTIVO DE LAS HALÓFITAS

permiten indicar que la técnica de microarreglos es de suma importancia para el aislamiento y caracterización de nuevos genes; así como también en el estudio de perfiles generales de expresión tejido —específico, ante distintas condiciones de estrés abiótico, y también para la identificación de genes y potenciales elementos en cis de factores de transcripción. Con base en lo previamente descrito, se concluye que estos nuevos conocimientos, sin duda alguna, están modificando la forma de obtener cultivos importantes que tengan la particularidad de tolerar la salinidad, aún cuando se tenga el previo conocimiento de que mejorar la tolerancia a la sal no es nada sencillo, sobre todo cuando hay que tener entendido que los vegetales son extremadamente complejos y dinámicos, y en ellos cualquier función interactúa con todas las demás. Dicho de otra manera, las plantas son sistemas multidimensionales, pero, dado que la dilucidación de los eventos bioquímicos y fisiológicos que desarrolla el experimentador son solo unidimensionales, del comienzo al final, su organización es, en cierto grado, artificial. Por ejemplo, en lo que respecta a la capacidad de secuestrar el NaCl en las vacuolas, no únicamente depende del requerimiento de alterar el perfil de los ácidos grasos de las membranas, sino además de un antiportador de Na+/H+ y H+-ATP-asas. Sin lugar a dudas, hay mucho por desarrollar en el campo de la genética molecular, y más cuando se trata de traducir ese conocimiento en la obtención de cultivos convencionales, tolerantes a la salinidad; aun cuando se tengan, en la actualidad, resultados de plantas transgénicas en etapa de experimentación, o de pruebas experimentales a nivel de campo, conteniendo genes de tolerancia a estreses abióticos, entre ellos el de la salinidad (arroz en Bangladesh, Brasil, China, India, Pakistán y Tailandia; maíz en China; sorgo en China; tabaco en Argentina; trigo en Egipto). Mientras tanto, es necesario seguir desarrollando cultivos tolerantes a la sal, a través de la domesticación directa de las halófitas.

179

12 Las halófitas en la agricultura Aspectos agropotenciales de las halófítas

a escasez de agua de lluvia, así como la del subsuelo para irrigación, la salinización de suelos agrícolas, derivada de una inadecuada aplicación del agua de riego, y una excesiva aplicación de fertilizantes, son algunos de los principales problemas que está enfrentando la agricultura a nivel mundial. Lo anterior ha originado la necesidad de generar nuevos cultivos que presenten la capacidad de desarrollarse y producirse en suelos ensalitrados y hábitats costeros, donde el agua de mar constituye el principal recurso hídrico. Las halófítas son plantas que se desarrollan en hábitats salinos, donde, debido a sus propiedades fisiológicas, pueden absorber y mantener grandes cantidades de sales, a una concentración de 0.01 S/cm = una parte por mil (1 ppt), mediante el proceso de regulación osmótica y el almacenamiento de sales en sus tejidos. Otra vía de tolerancia a las sales, de las halófítas, es mediante el control, al nivel radicular, del paso de iones de sodio; mientras que en las glicófitas, la toxicidad de los iones, cuando están presentes en la solución de suelo, no puede ser mitigada, debido a que el sodio, en especial, antagoniza al potasio e inhibe numerosos procesos fisiológicos. En algunas halófítas existen procesos fisiológicos, como el de filtración a nivel radicular, o exclusión de iones sodio; o bien, excresión a nivel foliar, por medio de sistemas especializados (glándulas de excreción), y, adicionalmente, el secuestramiento de iones tóxicos a nivel vacuolar. Las halófítas están conformadas por una amplia gama de especies (alrededor de 3 mil), las cuales van desde zacates, arbustos y matorrales, hasta el sistema ecológico de los mangles. Entre los primeros investigadores y reportes que dieron inicio al de181

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

sarrollo de un agricultura bajo condiciones de alta salinidad, figuran Boyko y Boyko (1959), y Boyko (1966), obteniendo resultados sorprendentes con cruzas de trigo tolerantes a la sal. Posteriormente, otra de las experiencias a nivel mundial, en la propagación intensiva de plantas halófitas, fue la obtenida en el apoyo al lago de Texcoco, en las cercanías de la ciudad de México. En ese lugar, a partir de 1972, se inciaron trabajos para reducir las tolvaneras, y su efecto negativo en la salud y medio ambiente de los habitantes capitalinos, mediante la reforestación de los suelos hipersalinos del vaso del ex lago, usando plantas halófitas. Los avances logrados fueron halagadores, ya que para 1982 ya se tenía establecida vegetación en cerca de 8 000 has, y un buen número de has estaban dedicadas al pastoreo. Decenas de especies fueron probadas, pero la mejor fue una gramínea conocida como pasto salado y cuyo nombre es Distichlis spicata (L. Greene). También, hace más de 30 años, la Universidad de Arizona, específicamente el Environmental Researcher Laboratory (el cual fue fundado por Carl N. Hodges), inició investigaciones tendientes a la colecta y selección de plantas halófitas. Cientos de especies fueron colectadas en diversos esteros del mundo, y llevadas a la Universidad de Arizona para estudiar su potencial. De todas ellas, la especie más prometedora fue la Salicornia (Salicornia bigelovii Torr.), de la cual, después de varios años de selección genética, se ha obtenido la variedad registrada como Seaphire. Actualmente, se le han sumado al estudio de halófitas con potencial para la agricultura: el Centro de Biotecnología en Halófitas (Halophyte Biotechnology Center), de la Universidad de Delaware, EU; los Institutos para la Investigación Aplicada (Institutes for Applied Research), Universidad Ben Gurion del Neguev, Israel; el Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste en la Paz, Baja California Sur, México, y la Universidad de Sonora-Campus Santa Ana, en Santa Ana, Sonora, México. Bush (en prensa) menciona que esta tecnología, usando el agua de mar para el riego de plantas y engorda de animales, permitiría el uso de recursos no utilizados actualmente, como el agua de mar y terrenos costeros, y calcula que cerca de 130 millones de has de zonas costeras y cuencas interiores ensalitradas podrían incorporarse al cultivo de plantas halófitas. Las empresas GENESIS y Seaphire International han generado tecnología, transfiriéndola a países con zonas costeras desérticas, como Estados Unidos, México, Arabia Saudita, Egipto, Kuwait, Pakistán, Emiratos Árabes Unidos, India y, actualmente, Eritrea, en el norte de África. La variedad mejorada de Salicornia es un cultivo que puede ser producido mediante sistemas de riego por gravedad, y uso intensivo de mano de obra, como es el caso de los proyectos de India y Eritrea. Para lograr éxito en el establecimiento del mismo, basan su aplicación considerando cuatro principios básicos: a) que el cultivo a estudiar presente potencial de alto rendimiento; b) el 182

LAS HALÓFITAS EN LA AGRICULTURA

agua de riego a utilizar no debe dañar el suelo; c) los productos obtenidos del cutlivo pueden sustituir productos obtenidos de cultivos convencionales, y d) el cultivo a utilizarse debe tener importancia agroindustrial para el sector agrícola. Para lograr el éxito en el establecimiento de Salicornia, se requiere nivelar el terreno y construir melgas para el manejo del agua, tal como se hace en el caso de cultivos convencionales, como el trigo o alfalfa. La siembra se puede hacer con maquinaria o manual. También se pueden producir cultivos usando sistemas de riego presurizado que requieren poca mano de obra. Tal es el caso de Bahía de Kino, en Sonora, México, Guerrero Negro, en Baja California Sur, México, y los proyectos en Arabia Saudita, por citar algunos ejemplos. La tabla 12 muestra un comparativo de requerimientos de agua y productividad entre Salicornia, usando agua de mar y otros cultivos convencionales que usan agua dulce. Tabla 12. Requerimientos de agua salada para Salicornia en comparación con cultivos convencionales (tomado de Platt, 1999) Cultivo

Cártamo

Necesidades de agua dulce en pulgadas-acre/año 11

Girasol

Soya Alfalfa Trigo

28 90 34

Cebada Kenef Salicornia

32 72 0

Biomasa

Semilla

Aceite

Pasta

1.2 ton/ha 2.0 ton/ha

420 kg

780 kg

800 kg

1 200 kg

2.5 ton/ha

450 kg

2 050 kg

600 kg

1 400 kg

17.0 ton/ha 6.2 ton/ha 5.0 ton/ha 15.7 ton/ha 15.0 ton/ha

2.0 ton/ha

En lo que se refiere al manejo del cultivo de Salicornia, se han realizado un sinnúmero de experimentos tendientes a mejorar los paquetes tecnológicos de producción comercial. El cultivo se inicia con la preparación del suelo: consiste en un barbecho, seguido de un rastreo cruzado y un tabloneo. Posteriormente viene la siembra, a razón de 30-40 kg de semilla por hectárea. Inmediatamente después de la siembra, se inicia el riego. La fertilización se ha demostrado como efectiva cuando se inicia 30 días después de la siembra y se termina 45 días antes de la cosecha, totalizando de 200 a 250 kg de nitrógeno (NH) por ciclo. 183

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Las mejores fechas de siembra que se recomiendan en esta parte del mundo para obtención de semilla, son los meses de enero a marzo, y para verdura, de septiembre a mayo. El ciclo completo dura de siete a nueve meses. Dado que Salicornia es una planta de crecimiento indeterminado, como el ajonjolí, la cosecha de semilla se logra mediante la suspensión del riego, para promover el secado de la planta. Si existe disponibilidad de mano de obra, el cultivo se corta manualmente y se deja secar para su posterior trilla manual. Si existe maquinaria disponible, la cosecha se puede hacer mecanizada. Tanto el corte como la trilla se pueden realizar con maquinaria, e incluso lograr las dos cosas al mismo tiempo, dependiendo de la cantidad de humedad relativa existente. Para el caso de la cosecha en fresco, para verdura o para envasado, esta tiene que ser manual, toda vez que, hasta la fecha, no se ha desarrollado equipo para este fin. Salicornia es un cultivo que nos permite el aprovechamiento de toda la planta. Cuando joven, se puede cosechar en fresco para verdura o para envasado, como es la costumbre en Europa, donde desde hace muchos años se recolecta del medio silvestre y se sirve como guarnición en diversos platillos, o como ensalada. Salicornia permite un corte para verdura o, con alta fertilización y riego, hasta dos cortes, pudiéndose continuar el cultivo para la producción de semilla, o realizar un tercer corte para verdura y sembrar nuevamente. La semilla tiene un contenido de 30% de aceite vegetal comestible de muy alta calidad, y 70% restante es pasta, con 35% de proteína que puede usarse en alimento balanceado para ganado o para consumo humano (tabla 13). Tabla 13. Perfil de ácidos grasos del aceite vegetal de Salicornia (tomado de Glenn et«/., 1991) Ácidos grasos Palmítico

Porcentaje 8.1

Esteárico Oleico Linoleico

2.2 12.5 74.0

Linolénico

2.6 0.6

Otros

Las características del aceite, y el hecho de no usar ningún tipo de pesticida o insecticidas, convierten a los productos y subproductos de Salicornia como orgánicos y permiten el uso del aceite en cosméticos y en productos farmacéuticos. La paja 184

LAS HALÓFITAS EN LA AGRICULTURA

o esquilmo, después de la cosecha, también tiene un uso, ya sea como forraje para ganado o materia prima para las chimeneas. En países pobres se puede utilizar como substituto de lefia, evitando así mayor deforestación. La deforestación no solo es una de las causas de la desertificación, también es uno de los factores que han influido en el cambio climático y en el efecto de invernadero. El cultivo de Salicornia representa una alternativa de solución a este problema, ya que su cultivo es uno de los primeros en ser aprobados, por la Secretaría del Medio Ambiente, en México, y la oficina de implementación conjunta (USIJI) del gobierno de Estados Unidos, en la fijación de carbono atmosférico. Otra de las ventajas del riego con agua del mar es que, hasta la fecha, no se ha observado ningún efecto negativo en los suelos. La posibilidad de formar suelos salinos o sódicos en el largo plazo fue una de las grandes preocupaciones. Sin embargo, después de más de 14 años de operación de algunos de los campos, no se han visto cambios significativos en las características físico-químicas del suelo. La explicación es muy sencilla: los suelos seleccionados son de textura arenosa, por lo tanto, con muy baja capacidad de intercambio catiónico, lo que no permite que se puedan fijar los iones a la arena, como sucede con las arcillas. Además, son suelos costeros con un drenaje natural hacia el océano, por lo que el nivel freático no se eleva fácilmente (tabla 14). Tabla 14. Análisis de suelos cultivados con Salicornia y regados con agua de mar en México (tomado de Platt, 1999) Parcela

Salinidad del suelo ds/m*

Nitrógeno (ppm)

Un año de producción

33.6

17.8

Diez años de producción

44.6

20.9

Alrededores del campo con Salicornia silvestre

54.6

28.1

Alrededor del campo sin Salicornia

35.7

19.0

*E1 agua de mar contiene 46 ds/m

Aún cuando el agua que se utiliza es de mar y el bombeo somero, el costo por este concepto representa 56% del costo de producción, seguido por el fertilizante, que equivale a 17%. Por lo anterior, y a efecto de abatir costos, desde 1990 las empresas están operando sistemas integrales con tres componentes: 1) un componente 185

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

animal, consiste en camarón y tilapia; 2) un componente vegetal, consiste en Salicornia, y 3) un componente ambiental, representada por los humedales. Esta es la forma de reducir costos, ya que el agua de mar se bombea para la producción de pos-larva de camarón, así como su engorda; los residuos del camarón sirven de alimento a la tilapia, y los residuos orgánicos de todo el proceso, junto con el agua, sirven como fertilizante y agua de riego para Salicornia. Con los excedentes de agua se forman humedales donde se promueve la biodiversidad, logrando así un verdadero desarrollo sustentable, ya que los deshechos de un proceso se convierten en materia prima para el siguiente y nunca se regresa agua directa al mar, la cual pudiera contaminar el océano. Otros estudios ecológicos han generado expectativas potenciales con especies de pantanos salados, tales como Spartina alterniflora, la cual produce hasta 40 t/ha de biomasa en la zona intermareal baja de los estuarios. Investigadores de la Universidad Ben Gurión del Neguev probaron 120 halófitas bajo un régimen de riego total con agua marina (5.5 ds/m) en la costa mediterránea de Israel, obteniendo que siete especies de Atriplex generaran entre 12.6 y 20.9 t/ha de biomasa, con un contenido de proteína entre 9.9 y 19.5%, en agua marina pura. Acorde a Gallagher (1985), se llegaron a obtener rendimientos de 5.2 a 9.5 t/ha del pasto salado Distichlis spicata, con riego de agua marina (30 g/1) en Delaware, EU, mientras que Spartina parens superó las 14 t/ha.

Uso de aguas salinas con fines agrícolas Mucho se ha afirmado que, en muchas de las zonas áridas del mundo, existen grandes almacenamientos de agua que no se utilizan para riego debido a su alto contenido de sales, capaz de producir salinización del suelo, con los consiguientes efectos dañinos sobre el desarrollo de las plantas. Sin embargo, es bueno mencionar que cualquiera que sea la fuente de agua para riego, esta se obtiene con cierta cantidad de sales solubles y solo es cuestión de tiempo para que la salinidad se incremente, a no ser que se tomen medidas preventivas, ya que el agua de riego no es otra cosa que una solución que, cuando entra en contacto con el suelo, y durante su paso, genera una serie de reacciones físico-químicas. Se ha estudiado también un fenómeno bajo la denominación de desplazamiento de mezclas, afirmando que este es un proceso universal mediante el cual un líquido desplaza a otro, y que ocurre de manera permanente en tiempo y espacio, sin que sea detectado. Es mediante este proceso que se explica el lavado de sales, tan usado en el caso de riego con aguas saladas. En el riego de cultivos, diversos estudios revelan que mediante el riego con aguas salinas se incrementa la presión osmótica de la solución del suelo, pero no 186

LAS HALÓFITAS EN LA AGRICULTURA

indefinidamente si se aplica lavado durante el riego y se cuenta con lavado producido por las lluvias. Gran parte de la salinización del suelo se debe al proceso de evapotranspiración, ya que un alto porcentaje del agua que se aplica como riego se pierde por este proceso, quedando la mayor parte de las sales acumuladas a varias profundidades, lo que produce diferentes perfiles de distribución que dependen del contenido de sal del agua aplicada y de la cantidad de agua extraída por las raíces de las plantas, a distintas profundidades. Hasta la fecha no existen métodos confiables que pronostiquen con exactitud la velocidad de acumulación de sales en el suelo ni el perfil de distribución de la salinidad bajo un conjunto de condiciones específicas de campo. El requerimiento de lavado es una aproximación simple y solo puede calcularse el nivel final de salinidad en la parte más baja de la zona radicular. También se menciona que el daño causado a los cultivos por empleo de aguas salinas se debe a causas complejas, entre las que destacan las siguientes: 1) alta concentración de sales solubles; 2) naturaleza de la sales; 3) valores altos de la relación de absorción de sodio (RAS); 4) lluvia; 5) aplicación de una cantidad de agua insuficiente para efectuar el lavado, y 6) relación del bicarbonato con respecto al calcio y al magnesio. Si bien hasta la fecha no se ha expandido de forma común el utilizar el agua de mar en cultivos convencionales, sí se tienen datos con experimentos donde se están regando plantas halófitas de uso potencial con agua de mar, sin que al parecer exista daño alguno sobre las plantas o el suelo. Sobre esto último se requieren más investigaciones que definan si en zonas costeras, donde los suelos presentan texturas arenosas, no existen problemas de acumulación de sales, así como si el drenaje natural de esos suelos ayuda a que no suba el nivel freático. Estos reportes demuestran que las halófitas pueden tener rendimientos tan elevados como los cultivos con riego convencional con agua marina. De este modo, podemos hablar no solo de una agricultura o acuacultura sustentable. Podemos hablar del inicio de comunidades y civilizaciones sustentables, y, a su vez, de economias sustentables que permitan a nuestros hijos, y a los que vienen atrás, visualizar un mejor mañana. Por otra parte, en lo que concierne a la recuperación de suelos, se han realizado estudios relacionados con el efecto de las sales solubles en el agua de riego, sobre el intercambio de cationes. Se concluye que en el intercambio de cationes en el suelo mediante el cual el Ca++ es reemplazado por el Na+, no es significativo si el contenido de Ca++ en el agua es cercano a 35% o más del total de cationes, y hasta determinado momento puede ser reversible. Existe un consenso entre los investigadores sobre la efectividad del uso de las aguas salinas como método de recuperación de suelos salinos-sódicos, siempre y 187

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

cuando haya una fuente de Ca++y Mg++, ya sea en el agua de riego o en el suelo. Es posible que, bajo condiciones de sodicidad, la única fuente de cationes divalentes sean los carbonatas de Ca++ y Mg++ insolubles, y solo en la etapa final de desalinización, cuando el pH y las concentraciones de sodio se han reducido drásticamente por lavado, los valores de K+ + Mg++ resultan suficientemente efectivos para inducir un valor de RAS pequeño y alcanzar su correspondiente equilibrio con un porcentaje de sodio intercambiable (PSI) menor de 15%, que es el valor que se reporta como límite, en el cual el sodio intercambiable puede afectar el desarrollo de las plantas. Desalinizar un suelo salino-sodio sin las debidas precauciones, equivale a hacerlo impermeable e imposible de recuperar. Para evitar este problema se ha ideado la técnica de las diluciones graduales, basada en el principio de la valencia-dilución. Se ha comprobado que bajo condiciones de equilibrio, cuando los principales cationes son Ca++, Mg++ y Na+, la relación:

De la solución del suelo, está directamente relacionada, de acuerdo con los principios de Donnan y con el porcentaje de sodio intercambiable (PSI) del suelo. Esta relación se denomina comúnmente Relación de Absorción de Sodio (RAS) la cual puede hacerse mediante dilución, como se explica a continuación:

Ecuación 1

*La concentración está basada en moles/litro.

188

LAS HALÓFITAS EN LA AGRICULTURA

Si definimos un factor de dilución por la expresión:

Ecuación 2

Donde: Vw: Volumen de agua sin sales, para diluir. Vs: Agua con alto contenido de sales. Si dividimos tanto el dividendo como el divisor de la ecuación 1, por la ecuación 2, queda:

Ecuación 3

Entonces:

RAS

d-1/2

= RAS diluido

original

En la ecuación 3 se ve que hay una disminución del RAS con la dilución, siendo inversamente proporcional a la raíz cuadrada del factor de dilución. De lo anterior, y con base en que, bajo condiciones de equilibrio, el PSI de un suelo varía directamente en función del RAS, se infiere que el equilibrio de un suelo con diluciones sucesivas de agua de mar o con cualquier agua con alta concentración de sales que contenga estos cationes, producirá una reducción del PSI. La cantidad de agua requerida para producir la recuperación deseada, depende de la concentración de los cationes en la misma y de las propiedades de intercambio del suelo, incluyendo su contenido de sodio intercambiable inicial. El objetivo que se persigue al empezar el lavado de un suelo, usando agua con alta concentración salina, es evitar un deterioro de su permeabilidad. La proporción en que se reduce la concentración de cada dilución sirve como un medio positivo de control en la velocidad de lavado, durante el periodo de recuperación. Acorde al efecto de salinidad del agua de riego sobre las propiedades físicas y químicas del suelo, la composición y la concentración del agua de riego pueden producir cambios significativos en la composición de la solución del suelo. Esto, a su vez, afecta la composición de la fase absorbida, produciendo cambios en la geometría 189

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

de los poros, debido a su expansión y a la dispersión de las arcillas, dando como consecuencia una disminución en la conductividad hidráulica; lo anterior, basado en estudios, por separado, de arcillas saturadas con Na+ o Ca++, o con ambos cationes a la vez. Para el caso de la arcilla saturada con Na+, la presión de expansión es función del contenido de humedad y cada cristal de arcilla se comporta como una unidad simple e independiente. Cuando se usó Ca++, encontraron que apareció una estructura en paquetes formados por varias unidades cristalinas. De esta manera, en el sistema Ca++- arcilla se reduce la superficie activa interactuante, disminuyéndose la expansión a una escala macroscópica. También se ha demostrado que la expansión del sistema Ca++- arcilla no es afectada por la adición de una pequeña cantidad de Na+ intercambiable, y que su efecto no alcanza a perjudicar la conductividad de las arcillas a bajos porcentajes de sodio, en la doble capa difusa. La dispersión de las partículas de arcilla es otra causa de la reducción en la conductividad hidráulica, debido a que al producirse un desarreglo, hay bloqueo de los poros a través de los cuales se produce el flujo. La permeabilidad de un suelo, en equilibrio con el agua de riego de una determinada calidad, está determinada por la concentración de los electrolitos o por los cationes intercambiables en el complejo. Lo anterior fue establecido al estudiarse sistemas homoiónicos. Usando muestras saturadas de Ca++, Mg++, Na+ y K+, para los suelos saturados con Ca++ y Mg++, no se presentó cambio alguno; en cambio en los otros, se disminuyó considerablemente la permeabilidad. Se ha observado también que en sistemas heteroiónicos, el aumento en la concentración de electrolitos en la solución del suelo produce mayores velocidades de flujo. Asimismo, se ha establecido que es posible mantener la permeabilidad de un suelo, independientemente de su grado de saturación por sodio, usando soluciones de electrolitos lo suficientemente concentrados. En la práctica, esto puede lograrse mediante la aplicación de yeso al agua de riego. Al considerarse el efecto del agua de riego sobre la permeabilidad, debe tenerse en cuenta la relación de absorción de sodio. Para una determinada concentración de agua de riego, cualquier aumento en la relación de absorción de sodio produce disminución de la permeabilidad. Como se puede observar, es importante seguir en el enriquecimiento de conocimiento relacionado con la producción de halófitas, considerando los efectos de la salinidad sobre los diferentes tipos de suelos donde se pretendan producir, a nivel monocultivo, las halófitas.

190

LAS HALÓFITAS EN LA AGRICULTURA

El mejoramiento genético en las halófitas bajo condiciones de salinidad Entre los factores abióticos figura la salinidad como uno de los más importantes que disminuyen la producción agrícola; y entre las alternativas para incrementar su tolerancia, la producción de compuestos osmoprotectores (osmolitos), tales como azúcares y aminoácidos, entre otros, los cuales incrementan el potencial osmótico de la célula y estabilizan membranas y estructuras macromoleculares. Algunas especies vegetales producen estos osmolitos debido a que están naturalmente adaptadas a crecer en condiciones de sequía. Sin embargo, muchas de las plantas cultivadas, de importancia económica, no acumulan suficiente cantidad de compuestos osmoprotectores que les permitan ser tolerantes a este estrés, por lo que se han hecho esfuerzos encaminados a la producción de plantas transgénicas con un incremento en la producción de osmolitos. Osmolitos, tales como el manitol han sido sobreproducidos en Arabidopsis y se observa un mejoramiento en la germinación de las semillas en condiciones de alta salinidad. Otra estrategia para incrementar la tolerancia al estrés es la sobreexpresión de genes que codifican transportadores de iones; por ejemplo, el de Na+/H+ de la membrana vacuolar, el cual transporta Na+ del citosol hacia la vacuola, donde se acumula, permitiendo un balance osmótico adecuado. Plantas de Arabidopsis transformadas, que sobreproducen el transportador Na+/H+, muestran un crecimiento sostenido en suelos con concentraciones de NaCl de hasta 200 mM. Actualmente se han producido plantas de tomate sobreproductoras del transportador Na+/H+ de Arabidopsis, las cuales son capaces de crecer, florecer y producir frutos en la presencia de altas concentraciones de sal (200 mM), y, además de preservar la calidad del fruto, ya que estos muestran un contenido bajo de sodio. En condiciones de estrés abiótico, los mecanismos de tolerancia, los cuales permiten el crecimiento de una planta bajo esas condiciones desfavorables, involucran el establecimiento de cambios bioquímicos y celulares que requieren la participación coordinada de muchos genes. Esta expresión orquestada de genes está controlada por factores de transcripción. La generación de plantas transgénicas ha dependido, principalmente, de dos factores: el desarrollo de métodos de transformación de plantas cultivadas y el conocimiento de nuevos genes y su función. Basándose en este nuevo conocimiento, será posible el diseño de plantas transgénicas, usando primordialmente genes de origen vegetal, particularmente genes de la misma especie, los cuales tengan mayor productividad, mayor calidad alimentaria, o que toleren mejor factores ambientales adversos, como la salinidad y la sequía. 191

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Finalmente, conviene puntualizar que la ingeniería genética de plantas es una realidad, pero es todavía un área en experimentación, cuyas expectativas de aplicación han despertado un enorme interés en el ámbito mundial (arroz en Bangladesh, Brasil, China, India, Pakistán y Tailandia; maíz y sorgo en China; tabaco en Argentina; trigo en Egipto), Asimismo, si bien aún no se demuestra plenamente lo contrario, no hay bases sólidas para asegurar que sus productos sean peligrosos. Por lo tanto, los llamados de alarma deben ser escuchados con prudencia, pues resulta evidente que los productos transgénicos solamente serán utilizados masivamente cuando hayan satisfecho rigurosas pruebas que garanticen que su liberación no representa riesgos ni para la salud ni para el ambiente. Mientras tanto, enfatizamos en la necesidad de seguir desarrollando cultivos tolerantes a la sal, a través de la domesticación directa de las halófitas.

192

13 Salicornia bigelovii. Estudios desarrollados en el noroeste de México. Universidad de Sonora/Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste S.C.

n las últimas dos décadas se han orientado los esfuerzos de investigación hacia el estudio y desarrollo de recursos vegetales que constituyan una alternativa a los agroindustriales tradicionales. Estos estudios muestran que las halófitas son los recursos biológicos más promisorios para explotar o desarrollar económicamente en las zonas áridas y costeras, ya que toleran altas concentraciones de sales y se desarrollan en terrenos costeros y suelos ensalitrados del mundo (O'Leary et al, 1985; Mass y Grieve, 1990; Glenn et al, 1995; Glenn et al, 1998). Entre ellas destaca el género Salicornia, el cual está constituido por las especies: S. pacifica; S. subterminalis; S. virginica; S. borealis; S. marítima; S. rubra, y S. bigelovii (USDA, 2003); de las cuales, las tres primeras son perennes y las demás anuales. De éstas, Salicornia bigelovii es de gran interés, ya que se le ha encontrado un promisorio potencial agroindustrial y económico (Mota, 1990). La importancia agroindustrial de la misma reside en su capacidad de producción de forrajes, aceites vegetales y alimentos para consumo humano, esencialmente ensaladas y harinas. Sumado a ello, ha quedado demostrada su aplicabilidad en industrias, como la cosmetología, la construcción, (fibra seca prensada), y, fundamentalmente, para la recuperación de áreas degradadas por salinización, ya sea natural o inducida por prácticas agrícolas inadecuadas, lo cual favorece la economia rural (Glenn et al, 1995). En Baja California Sur y Sonora, S. bigelovii tiene una amplia distribución a lo largo de sus costas (Glenn et al, 1994), por lo que es factible su desarrollo como nuevo cultivo en el noroeste de México, con perspectivas de explotación comercial (Carlson, 2000). Según estudios previos, concernientes a la producción de halófitas, la 193

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

productividad de este tipo de plantas está limitada por la disponibilidad de nitrógeno, lo que tiene un evidente efecto en su crecimiento, reproducción y niveles de nitrógeno en biomasa, entre otros aspectos. Una solución para eliminar esta limitante sería la aplicación de fertilizantes sintéticos. Sin embargo, frecuentemente se cae en un inadecuado manejo y uso indiscriminado, lo cual afecta de manera importante a la microflora del suelo, incluyendo los microorganismos benéficos (Martínez, 1996). Dentro de los microorganismos considerados benéficos se destacan los que se consideran promotores del crecimiento. Estos se caracterizan por estar presentes en la rizósfera y por su capacidad de fijar nitrógeno atmosférico y fitohormonas (Jena et al., 1992; Gamo y Sang, 1990). Estas características son de alta repercusión en la productividad agrícola, ya que, potencialmente, pueden reducir los costos de producción, al disminuir o eliminar el uso de fertilizantes químicos (Okon y Labandera, 1994). Entre los microorganismos fijadores de nitrógeno y/o productores de fitohormonas más estudiados se encuentran bacterias de los géneros Rhizobium spp., Azotobacter spp., Klebsiella spp. y Azospirillum spp. (Buckman y Brady, 1977; De Troch y Vanderleydan, 1996). El género Rhizobium spp. se asocia con las plantas leguminosas. Por su parte, el género Azotobacter spp. y el Klebsiella spp. son cultivo-inespecíficas, y el género Azospirillum spp. tiene especificidad para pastos, pero también se ha reportado una alta capacidad para asociarse con hortalizas como tomate y chile, y con cactáceas (Bashan et al, 1989; Castellanos, 1998). Uno de los modelos de estudio de interacción planta-microorganismo es el de planta-Azospirillum, ya que el efecto más sobresaliente, es promover en las diferentes especies de plantas (gramíneas principalmente), bajo condiciones de suelo y climas diferentes, un incremento en el peso total, en la cantidad de nitrógeno en granos y brotes, número de tallos, altura de la planta, tasa de germinación, floración y aparición temprana de la espiga (Okon y Labandera, 1994). Azospirillum está conformado por las especies A. brasilense, A. lipoferum (Tarrand et al., 1978), A. amazonense (Magalhaes et al., 1983), A. irakense (Khammas et al., 1989) y A. halopraeferens (Reinhold et al., 1987). No obstante, es necesario ampliar la gama de recursos microbianos procedentes de plantas endémicas, explorando las poblaciones microbianas en la rizósfera de plantas halófitas facultativas, como Salicornia bigelovii; determinar su capacidad de fijar nitrógeno atmosférico, y estudiar los efectos de la aplicación de estos microorganismos, y su relación con la demanda de nitrógeno por parte de este tipo de plantas.

194

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Detección de bacterias fijadoras de nitrógeno en la rizósfera de Salicornia bigelovii (Torr.) Aislamiento de bacterias de la rizósfera El análisis microbiológico de la rizósfera de Salicornia bigelovii, llevado a cabo en dos etapas vegetativas de su desarrollo (plántula y planta madura) y en cinco lugares muestreados en la Bahía de la Paz, B.C.S., presentó un número similar de morfotipos bacterianos. Ungar (2000), en este sentido, ha discurrido que una heterogeneidad en parámetros ambientales, e.g. de tipo físico, químico y bióticos, induce variabilidad y composición en la estructura microbiana de la rizósfera, aspecto que coincide al realizar el mismo estudio de aislamiento de microorganismos de rizósfera de Salicornia. Los análisis de suelo muestran que, al menos, los parámetros físicos, como textura de suelo, y los químicos, como conductividad eléctrica, contenido de aniones y cationes, etc., son similares en cada sitio de muestreo, por lo que la similitud en morfología bacteriana es explicada. Por otra parte, el crecimiento de los aislados bacterianos fue óptimo cuando el medio de cultivo fue complementado con 0.5 M de NaCl. En total, 18 morfotipos fueron aislados y purificados de la rizósfera de S. bigelovii (tablas 15 y 16).

Actividad de nitrogenasa en los aislamientos (prueba de reducción de acetileno)

bacterianos

La totalidad de los 18 aislados bacterianos presentó la capacidad de reducir el acetileno. Sin embargo, 17 mostraron una actividad muy baja, mientras que solo una mostró una alta actividad de reducción de acetileno, similar a la del control biológico: A. halopraeferens (figuras 3.A y 3.B). La cinética de crecimiento del aislado bacteriano fijador de nitrógeno (figura 3.C) presentó una disminución de crecimiento, entre las 14 y 16 h de cultivo, muy similar a la presentada por A. halopraeferens (Puente et al, 1999).

195

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Tabla 15. Parámetros físicos y químicos de suelo asociado con rizósfera de Salicornia bigelovii, muestreada en la bahía de la Paz, B.C.S., para el aislamiento de bacterias fijadoras de N2 Ca N03 N02 mg/kg mg/kg mg/kg

Mg mg/kg

g/1

0.10

178.7

328.1

0.1

3.9

0.09

0.10

85.80

199.36

0.1

3.6

12.44

0.99

0.24

193.0

317.15

0.1

3.5

7.95

11.97

0.32

0.06

145.0

258.92

0.1

3.2

4.41

11.43

0.42

0.08

77.0

136.0

0.08

3.0

M.O. %

Arenoso/limoso

0.51

7.04

8.4

13.08

0.27

El Comitán Arenoso/limoso

0.66

7.04

5.5

10.82

CETMar

0.39

7.36

8.7

0.41

6.31

0.17

6.95

Punto de textura muestreo

CIBNOR

Arenoso/limoso

Carretera al norte de la Arenoso/limoso ciudad de La Paz Unidad Arenoso/limoso Pichilingue

RAS

ds/m

(UABCS)

CE = conductividad eléctrica N0 3 = nitratos Ca = calcio

RAS = relación absorción sodio N0 2 = nitritos NH4= amonio Mg = magnesio K = potasio

Tabla 16. Características morfológicas de los aislamientos bacterianos en rizósfera de Salicornia bigelovii, de la bahía de La Paz, B.C.S. Aislamiento Color bacteriano No. 1 Amarilla 2

Blancatransparente

Naranjabrillante Blancaverduzca Blanca

4 5 6 7

Consistencia Apariencia Cremosaabundante Cremosa

Húmeda

Cremosa

Húmeda

Cremosaabundante Cremosaabundante Blanca-opaca Cremosa con halo tenue NaranjaCristal inabrillantecremosa transparente

Húmeda

Húmeda Húmeda Húmeda Húmeda

Tinción SuperCreciElevación Motilidad Forma Gram ficie miento Lisa Convexa Rápido RápidaBacilo vibroide corto Rápido en Bacilo Lisa Convexa Lento forma de corto cruz Convexa Lento Lisa Rápido Bacilo largo Lisa Convexa Rápido Muy lento Bacilo largo Convexa Rápido Rápido Bacilo Lisa corto Lisa Plana Rápido Rápido Bacilo corto Lisa Convexa Rápido Muy Bacilo rápido corto

Continúa... 196

SÁLICORNIA BIGEL0V1I. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO ...continuación 8 Naranjaopaca 9 Amarillabrillante con halo 10 Blanca

Cremosa

Húmeda

Lisa

Cremosa

Húmeda

Cremosa

Plana

Lento

Lisa

Muy rápido Convexa Rápido Lento

Bacilo corto Bacilo corto

Húmeda

Lisa

Plana

Lento

Cremosa

Húmeda

Lisa

Convexa Rápido Rápido

Cremosa

Húmeda

Lisa

Convexa Rápido Rápido

Lisa

Plana

Rápido Rápido

Transparente Húmeda Blancatransparente Rosa-brillante Brillante Húmeda

Lisa

Convexa Rápido Rápido

Blanca

Lisa

Convexa Rápido Rápido

Blancaamarilla Naranja

CremosaHúmeda abundante Transparente Húmeda

Lisa

Plana

Rápido Rápido

Cremosa

Húmeda

Lisa

Convexa Rápido Rápido

Cremosa

Húmeda

Lisa

Convexa Lento

Bacilo largo Bacilo largo Bacilo largo Bacilo corto Bacilo corto Bacilo corto Bacilo corto Bacilo corto Bacilo corto

11 12 13

17 18

Amarillabrillante Naranja

Blanca DMC

Lento

Crecimiento rápido = presencia visual de colonia antes de 24 hrs de incubación, en medio de cultivo OAB al 0.5 M de NaCl. Crecimiento lento = presencia visual de colonia después de 36 hrs de incubación en medio de cultivo OAB al 0.5 M de NaCl. Gram negativa = ND = no determinada DMC = degradación de medio de cultivo.

Caracterización e identificación fijador de nitrógeno

del aislado

bacteriano

La caracterización e identificación de la bacteria con alta actividad reductora de acetileno fueron realizadas mediante pruebas bioquímicas, identificación de ácidos grasos metil esteres y secuenciación del DNA que codifica para el RNA ribosomal 16S. Los resultados de estas pruebas indican que el aislado es similar al género y especie Klebsiella pneumonie (figuras 35.A, B, D y E), afinidad del 0.998% en su secuencia del DNA 16S. Dicho microorganismo se encuentra, en forma natural, en suelo y agua, así como también asociado con plantas de manera endófita (Ladha et al, 1983; Das, 1991; Bredha et al, 1994; Shloter y Hartmann, 1998; Chelius y Triplett, 2000). 197

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O LINA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 3.A. Cromatograma mostrando la actividad de reducción de acetileno de la bacteria asociada con S. bigelovii, comparándola con el control

Fuente: Rueda Puente et al, (2003).

198

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Figura 3.B. Fijación de nitrógeno (reducción de acetileno) de cultivos de la bacteria fijadora de nitrógeno (BACRA), asociada con la rizósfera de S. bigelovii, comparada con el control A. halopraeferens

Barras denotadas por una letra diferente, indican una diferencia significativa (P<0.05). Fuente: Rueda Puente et al., (2003).

199

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 3.C. Cinética de crecimiento de la bacteria con alta actividad de reducción de acetileno (BACRA), asociada con rizósfera de S. bigelovii, comparada con el control A. halopraeferens

Fuente: Rueda Puente et al, (2003).

200

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Figura 3.D. Pruebas bioquímicas realizadas a la cepa fijadora de N (alta actividad de reducción de acetileno-BACRA), asociada con rizósfera Salicorma bigelovii, de acuerdo con Me Faddin (1991)

Fuente: Rueda Puente et al, (2003).

201

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 3.E. Identificación 16S rRNA, de la bacteria fijadora de nitrógeno,

aislada de la rizósfera de Salicomia bigelovii

Fuente: Rueda Puente et al., (2003).

Figura 36. SSCP de los fragmentos del DNA ribosomal 16s, amplificado por

PCR, a partir de la microflora asociada a rizósfera de Salicomia bigelovii

Fuente: Rueda Puente et al., (2003). Puntos de muestreo: 1 = CIBNOR; 2 = Comitán; 3 = CETMar La Paz; 4 = carretera al norte de la cd. de La Paz; 5 = Extensión UABCS; 6 = Tecolote. Spc = especies control.

202

SALICORNIA BIGEWVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Perfil de la población bacteriana no cultivable, asociada con rizósfera de Salicornia bigelovii, mediante el análisis del polimorfismo en la conformación de cadena simple de DNA (Single Strand Conformation Polymorphism: sscp). Mediante la metodología del SSCP, los resultados muestran una diversidad de microflora asociada con rizósfera de Salicornia bigelovii (figura 36 y tabla 17). La secuenciación de los productos amplificados, de cadena sencilla, corresponde a microorganismos que ya han sido reportados en otros ambientes (tabla 14) y que, aunque en bajas poblaciones, pueden estar realizando un papel sumamente importante en estos ambientes donde se desarrolla la halófita Salicornia bigelovii (Rueda et al., 2008). Tabla 17. Resultados de caracterización (% similitud) de las bacterias asociadas a rizósfera de Salicornia bigelovii, en la Bahía de La Paz, Baja California Sur, México

203

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Evidentemente, los resultados con esta metodología son importantes porque pueden informarnos de la presencia de una gran cantidad de poblaciones microbianas no cultivables, y, complementados con las tradicionales técnicas de cultivo, pueden ampliar nuestra visión y conocimiento sobre los eventos de origen microbiano, donde destacan la descomposición de materia orgánica, la disponibilidad de nutrientes, la reducción de toxicidad por metales tóxicos, las modificaciones en el pH y la producción y/o estimulación de fitohormonas, entre otras (El-Shatanawi et al., 2001).

Influencia de la bacteria Klebsiella pneumoniae en la germinación de Salicornia bigelovii silvestre y cv. sos-10

Porcentaje de germinación en genotipo mejorado sos-10 El análisis estadístico indica que, entre los tratamientos estudiados, se encontró una diferencia significativa con P<0.05, donde K. pneumoniae y el control biológico A. halopraeferens estimularon la germinación de S. bigelovii cv. sos-10, en ausencia de NaCl (figura 37.A), en 30 y 40%, respectivamente, comparado con el control sin inoculante. Se observó también que, conforme aumenta la salinidad, en presencia de NaCl, el efecto ejercido por las bacterias disminuyó en dicho proceso. Sin embargo, el ácido giberélico influyó positivamente en la germinación.

Porcentaje de germinación en genotipo silvestre La germinación del genotipo silvestre de S. bigelovii mostró un porcentaje de germinación bajo. El efecto, tanto de Klebsiella pneumoniae como de A. halopraeferens fue positivo en la germinación, en ausencia de salinidad (figura 37B). Se observó también que en este genotipo, conforme aumentó la salinidad, el efecto por el ácido giberélico influyó positivamente en la germinación, mientras que el efecto de las bacterias en la germinación disminuyó, al incrementar las concentraciones de NaCl. Sin embargo, el efecto para los tratamientos con bacterias no fue tan drástico como lo fue para el control.

Efecto en el crecimiento radicular en ambos genotipos Se encontró diferencia significativa (P<0.05) entre las bacterias en estudio y entre las salinidades. Se observó que, en la interacción, el tratamiento con A. halopraeferens 204

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

presentó las longitudes radiculares mayores, con respecto a los demás tratamientos, seguido de la fitohormona (AG3) y K. pneumoniae. Sin embargo, al igual que en la variable germinación, el efecto se redujo por la salinidad, con excepción de que el ácido giberélico promovió ligeramente, en el cultivar mejorado, la longitud radicular—a 0.5 M—, comparado con los otros tratamientos en la misma salinidad (tabla 18). Figura 37. Efecto de K. pneumoniae, control biológico (A. halopraeferens) y control químico (fitorregulador AG3), bajo tres concentraciones de NaCl (0, 0.25, 0.5 M), en la germinación de dos genotipos de S. bigelovii: A) sos-10 y B) silvestre. Las barras representan el error estándar de las media

Fuente: Rueda Puente et al., (2003). 205

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Tabla 18. Efecto de Klebsiella pneumoniae, control biológico (Azospirillum halopraeferens) y control químico (fitorregulador AG3), bajo tres concentraciones de NaCl. Los valores son los promedios de longitud de raíz, altura de plántula, peso fresco y peso seco, en Salicornia bigelovii (genotipo sos-10 y genotipo silvestre)

Promedios indicados con una letra denotan diferencia significativa a un nivel de P = 0.05. Las comparaciones fueron realizadas con una Prueba de Rango Múltiple de Duncan. Los valores representan la media de cinco repeticiones. * = 1 x 108 unidades formadoras de colonias. ** = 8.661xlO-5M.

206

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Efecto en la altura de las plántulas en ambos genotipos Se encontraron diferencias significativas entre tratamientos (P<0.05). En la tabla 18 se observa que la respuesta de la variable altura, fue similar al de la raíz, donde A. halopraeferens muestra los valores más altos, seguida de K. pneumoniae. Asimismo, se confirmó que esta variable disminuye conforme aumenta la salinidad, a excepción del tratamiento con ácido giberélico, que actuó de manera positiva sobre esta variable.

Efecto en el peso fresco de ambos genotipos El efecto de A. halopraeferens en el peso fresco, a concentraciones de 0.0, 0.25 y 0.5 M, de NaCl, mostró un efecto positivo con respecto a los demás tratamientos. Sin embargo, el ácido giberélico fue mejor a salinidades de 0.25 y 0.5M, en contraste con K. pneumoniae, la cual mostró resultados opuestos. Esta tendencia se había observado de manera similar en las demás variables (tabla 18).

Peso seco en plántulas de genotipos: mejorado sos-10 y silvestre Como se puede apreciar en la tabla 18, en esta variable se observó un ligero incremento, conforme aumentó la salinidad en el genotipo mejorado, en presencia de cada una de las bacterias. Sin embargo, el ácido giberélico mantuvo una diferencia estadísticamente significativa, con respecto a los demás tratamientos, siguiéndole A. halopraeferens y K. pneumoniae, respectivamente.

Efecto de la salinidad sobre la adhesión de K. pneumoniae y A. halopraeferens al sistema radicular de los genotipos mejorado sos-10y silvestre Bajo las tres concentraciones de salinidad probadas, K. pneumoniae y A. halopraeferens mostraron igualdad con P<0.05, respecto a el número de células adheridas al sistema radicular entre ambos inoculantes, en el genotipo mejorado y silvestre, y en cada una de las concentraciones salinas (figura 3 8A), observándose un ligero descenso con el aumento de NaCl (figura 38B). 207

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 38. Unidades formadoras de colonias (UFC/mL) de K. pneumoniae y A. halopraeferens, bajo tres concentraciones de NaCl (0, 0.25, 0.5 M), adheridas al sistema radicular de dos genotipos de S. bigelovii: A) sos-10 y B) silvestre. Las barras representan el error estándar de las medias

Fuente: Rueda Puente et al.. (2003). 208

SALIUCORNJA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Debido a que el cultivo de Salicornia está siendo mejorado para el uso en el sector agrícola (Glenn et al, 1995), es importante considerar estrategias para su cultivo. Se han realizado varios experimentos sobre la germinación de Salicornia spp. bajo condiciones salinas (Ungar, 1978; Ungar, 1982; Ungar, 2000) y la utilización de hormonas, tales como giberelinas (Khan, 1971; Ungar, 1982; Ungar, 2000). Los resultados del presente estudio coinciden con los mostrados anteriormente, concluyendo que la salinidad reduce el porcentaje de germinación. También se encontró que el uso de la hormona utilizada en este estudio induce la germinación, conforme aumenta la salinidad, pero con valores debajo de los obtenidos en tratamientos sin salinidad. Lo anterior pudo observarse debido a que cuando se inoculó Klebsiella pneumoniae durante la etapa de germinación, usando Azospirillum halopraeferens y el regulador de planta ácido giberélico (AG3) como controles, se obtuvieron resultados con diferencias entre tratamientos. De la misma manera, se observó que cuando la salinidad se incrementa, la inhibición de germinación es mayor para ambos genotipos. Las semillas inoculadas con Klebsiella penumoniae y Azospirillum halopraeferens germinaron por arriba de 20%, más frecuente en el tratamiento de 0M NaCl. Por otra parte, también se observó que la salinidad repercutió ligeramente con una disminución de unidades formadoras de colonias, adheridas al sistema radicular. Sin embargo, la interacción de bacterias con ambos genotipos mostró que A. halopraeferens (ufe) no fue menos afectado cuando se inoculó al genotipo mejorado (sos-10), como cuando se inoculó al genotipo silvestre; mientras que la bacteria K. pneumoniae mostró lo contrario. Esta especificidad de asociación planta-bacteria hasta la fecha, es discutible, de acuerdo con hallazgos publicados por Arsac et al., (1990), y Baldani y Dobereiner (1980), quienes indican que este tipo de resultados puede depender de la especificidad de la planta, así como también del tipo de especie de microorganismo. El presente estudio indica que ambos genotipos son beneficiados por K. pneumoniae y A. halopraeferens. Resultados similares se han obtenido para otras plantas (Puente et al, 1999; Rozema et al, 1975; Goodfriend et al, 2000). Aunque los ensayos se hayan efectuado con otras plantas y otros microorganismos benéficos, algunos inhiben los efectos sobre la germinación (Díaz et al, 2001). Sin embargo, otros estudios muestran efectos positivos con este tipo de microorganismo (Arsac et al., 1990; Puente y Basham, 1993), los cuales también coinciden con los resultados del presente estudio. Los efectos positivos de estas bacterias, observados en el presente estudio aparentemente se deben a la producción de sustancias promotoras de crecimiento según lo reportado en otros estudios (Arsac et al, 1990; Haahtela et al, 1990; Turyanitsa et al, 1995; El-Khawas y Adachi, 1999). 209

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Efecto de la bacteria Klebsiella pneumoniae en el desarrollo inicial de Salicornia bigelovii La tabla 19 muestra los efectos observados un mes después de la inoculación de las bacterias, debido a los dos tipos existentes sobre el crecimiento de S. bigelovii (altura y longitud radicular), donde K. pneumoniae, utilizando la forma líquida, y en esferas, interaccionó positivamente en la altura de S. bigelovii (37 y 75%, respectivamente), en comparación con el control sin inoculante. Asimismo, al ser coinoculada con A. halopraeferens, el crecimiento se incrementó hasta en 80%, en forma líquida, y 87%, en forma de esferas (comparado con el control sin inoculante). Sin embargo, el tratamiento correspondiente con la bacteria A. halopraeferens, utilizando la vía de esferas, incrementó el crecimiento de la planta en 42% por arriba de K. pneumoniae inoculada en forma de esferas. En longitud de raíz, ambos inoculantes, en los dos tipos de inoculación (a excepción de K. pneumoniae en líquida), favorecieron positivamente la longitud radicular, en comparación del control sin inoculante. Sin embargo, no hubo diferencia significativa entre tratamientos (tabla 19). Por otra parte, al contabilizar el número de células bacterianas adheridas a la raíz de Salicornia, se observaron diferencias no significativas entre los tipos de inoculación (líquida y esferas). Sin embargo, se pudo observar que, numéricamente, los tratamientos coinoculados muestran valores más altos (tabla 19). Tabla 19. Promedios de las variables longitud de plántula y longitud radicular, con respecto a las bacterias Klebsiella pneumoniae y Azopirillum halopraeferens (control biológico), y los dos tipos de inoculación (líquida y esferas), un mes después de la inoculación Tratamiento

Líquida

Altura mm Raíz mm 3.66 d 2.93 b 4.58 b 3.70 a

K. pneumoniae + A. halopraeferens Klebsiella pneumoniae Azospirillum halopraeferens

Líquida Esferas

4.80 b 4.66 b

Esferas

6.16 a

K.pneumoniae + A. halopraeferens Esferas de alginato Control

Esferas Esferas

5.00 b

Klebsiella pneumoniae Azospirillum halopraeferens

Tipo de inoculación Líquida

Sin inocular

3.83 cd 2.66 e

Valores seguidos por letra diferente, en cada columna, son diferentes (p=0.05). 210

3.73 a 3.71 a 3.65 a 3.48 a 3.58 a 3.10b

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Tabla 20. Unidades formadoras de colonias (ufc/ml) adheridas al sistema radicular de S. bigelovii sos-10 Tratamiento Klebsiella pneumoniae Azospirillum halopraeferens

Tipo de inoculación Líquida Líquida

Logl0 UFC/mL 3.99 be 4.11a

K. pneumoniae + A. halopraeferens

Líquida

4.13 a

Klebsiella pneumoniae Azospirillum halopraeferens

Esferas Esferas

3.91c 4.06 b

K.pneumoniae + A. halopraeferens

Esferas

4.10 ab

Esferas de alginato Control

Esferas Sin inocular

ND ND

Valores seguidos por letra diferente, en cada columna, son diferentes (p= 0.05). ND= no determinado.

Evaluación de las variables de crecimiento, de desarrollo y de la producción de Salicornia bigelovii con la inoculación de Klebsiella pneumoniae, bajo condiciones de campo Germinación Los resultados obtenidos en la tasa de germinación (figura 43) indican que se destacan las plántulas inoculadas con las bacterias benéficas de K. pneumoniae y A. halopraeferens. Sin embargo, aun cuando el comportamiento de germinación haya resultado ser mejor en los genotipos inoculados, en el porcentaje final de germinación no se observó una diferencia estadística significativa (figura 39). Se observó también que el genotipo silvestre sin inoculación presentó los valores inferiores del porcentaje de germinación. Los resultados anteriores indican que ambas bacterias promueven la germinación en los dos los genotipos del estudio: sos-10 y silvestre (figura 38), posiblemente, debido a la capacidad de las bacterias para producir y estimular la síntesis de compuestos hormonales, como las giberelinas GA3, las cuales son mencionadas por otros autores (Tien et al., 1979; Reinhold et al., 1987; Haahtela et al, 1990; Kozyrovskaya et al, 1990; Conrad et al, 1992; Rodelas et al, 1996; Zexun y Wei, 2000). Los resultados obtenidos sugieren que las especies de Klebsiella pneumoniae 211

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

y Azospirillum halopraeferens pueden influir en las plantas, por lo que es importante continuar con la búsqueda de este tipo de microorganismos. Asimismo, los datos sugieren que se exploren las posibilidades para continuar los estudios de inoculación con otras familias y/o grupos de plantas halófitas que puedan tener fines comerciales. Las consideraciones anteriores son importantes por el éxito de este tipo poblaciones halotolerantes, las cuales usualmente, solo tienen una oportunidad en su historia de vida anual para reproducirse y dispersarse, eventos que son dependientes de las respuestas mostradas durante la germinación de semillas (Ungar, 1977). Tal es el caso de la germinación de S. bigelovii, la cual ocurre durante un periodo cuando, en el suelo, los niveles de salinidad se encuentran reducidos (Riehl y Ungar, 1982; Rozema, 1975). De igual modo, los resultados obtenidos indican que los efectos benéficos de los microorganismos pueden tener un papel principal en las diferentes fases vegetativas, como es el proceso de la germinación (Kim y Weber, 1985; Ellen y Cuuningham, 1983; Booth et al, 1998; Hildebrandt et al, 2000; Goodfriend et al, 2000; Bagwell et al, 2001). Sin embargo, cabe indicar que los efectos observados de manera positiva deben evaluarse en el entorno de la aplicación práctica, como en el caso del desarrollo o propuesta de un programa agrícola costero (Hamdi, 1999; Neori y Zskova-KonZcalova, 2001).

Etapa de desarrollo vegetativo Durante el desarrollo vegetativo se observó que el tratamiento con K. pneumoniae no interaccionó con P<0.05, en el crecimiento de S. bigelovii (ambos genotipos). Sin embargo, A. halopraeferens indujo una altura mayor de planta con respecto a los demás tratamientos; específicamente, en las etapas de floración y al final del ciclo vegetativo (figura 40). Cabe mencionar que, durante las primeras etapas de crecimiento vegetativo, las plantas de los tratamientos no inoculados mostraron mayor susceptibilidad a las condiciones ambientales, durante su fase de desarrollo (figura 40).

Floración, peso fresco, peso seco, longitud radicular y contenido de nitratos (N0 3 ) en la etapa fisiológica de floración. En la figura 41 se muestran los datos obtenidos con respecto al porcentaje de floración alcanzado por las plantas expuestas a los tratamientos. 212

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Los análisis estadísticos mostraron diferencias significativas entre tratamientos (P< 0.05 ). Aunque A. halopraeferens estimuló un porcentaje mayor de floración en el genotipo sos10 con P< 0.05 (figura 41), se observó que K. pneumoniae, numéricamente, interaccionó positivamente en comparación con los controles sin inocular, de ambos genotipos. Figura 39. Influencia de Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens en la tasa de germinación (número de semillas por día) de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo Datos de origen: Tratamiento Semilla silvestre Semilla silvestre + A. halopraeferens

Valores con Tratamiento P< 0.05 73% c Silvestre + K. pneumoniae 88% a Semilla sos-10

Fuente: Rueda Puente et al., (2003). 213

Valores con Tratamiento P<0.05 89% a sos-10 +A. halopraeferens 86% a sos-10 + K. pneumoniae

Valores con P< 0.05 89% a 81% b

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 40. Dinámica de crecimiento de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre) por la influencia de Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens bajo condiciones de campo Datos de origen: Valores con Valores con Tratamiento P<0.05 P< 0.05 Semilla silvestre Semilla silvestre 34.3 b 34.5 b + K. pneumoniae Semilla silvestre + Semilla 34.4 b 34.3 b A. halopraeferens sos-10 Tratamiento

Fuente: Rueda Puente et al, (2003).

214

Tratamiento sos-10 +A. halopraeferens sos-10 + K. pneumoniae

Valores con P< 0.05 45.3 a 35.6 b

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Figura 41. Porcentaje final de floración en dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre) por el efecto de bacterias fijadoras de N2 (Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens), bajo condiciones de campo

Fuente: Rueda Puente et al., (2003).

Con respecto al peso fresco de muestras obtenidas en la etapa de floración, los resultados mostraron diferencias significativas (P<0.05) entre los tratamientos bajo condiciones de campo. El genotipo silvestre inoculado con K. pneumoniae estimuló en 200%, mientras que con A. halopraeferens el efecto fue en 94% (figura 42). Sin embargo, el genotipo mejorado inoculado con A. halopraeferens y K. pneumoniae fue estimulado en 900 y 150%, respectivamente. En cuanto al peso seco alcanzado en la etapa de floración, los resultados muestran que ambos genotipos fueron estimulados por los inoculantes, mostrando los más

altos valores A. halopraeferens, para ambos genotipos (figura 42), 215

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Figura 42. Efecto de bacterias fijadoras de N2 (Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens), bajo condiciones de campo, en el peso seco y fresco de plantas en etapa de floración, en dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre). Las letras indican diferencias significativas (P<0.05)

Fuente: Rueda Puente el al., (2003).

En relación con la longitud radicular, al realizar los análisis de variación se observaron diferencias significativas entre los tratamientos, donde el crecimiento mayor lo mostró el genotipo mejorado inoculado con el control biológico A. halopraeferens, siguiéndole, en segundo plano, el genotipo silvestre con K. pneumoniae (figura 43).

216

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE Mร XICO

Figura 43. Efecto de bacterias fijadoras de N2 (Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en la longitud radicular de dos genotipos de Salicornia bigelovii, en la etapa de floraciรณn y bajo condiciones de campo

Fuente: Rueda Puente et al., (2003).

El contenido de nitratos en las plantas control, de ambos genotipos, fue muy alto, respecto a las plantas que no fueron inoculadas con las bacterias fijadoras de N2, empleadas en este estudio. Esta aparente inhibiciรณn en la toma o acumulaciรณn de nitratos pareciera ser controversial; sin embargo, cabe indicar que se trata de N0 3 y no de nitrรณgeno total (figura 44). Resultados similares se han encontrado en estudios de plantas de 217

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

maíz (Zea mays) (Pérez-Silva, 1989; Blackmery Scheppers, 1995), donde se aplicaron diferentes niveles de fertilizantes a partir de N2; las concentraciones bajas de N0 3 , detectadas en la savia, estaban siendo dirigidas hacia la formación de biomasa. Figura 44. Efecto de bacterias fijadoras de N2 Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en el contenido de N0 3 /ml en savia de dos genotipos de Salicornia bigelovii, en la etapa de floración y bajo condiciones de campo

Fuente: Rueda Puente et al., (2003).

218

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Proporciones de lípidos, proteínas y cenizas, de tres partes vegetativas (raíz, tallo, parte aérea) en floración Sobre las proporciones de lípidos en la raíz, los resultados indican que los efectos de las bacterias fijadoras de N2, en ambos genotipos, muestran los valores más altos, en relación con los controles (no inoculados). Se observaron diferencias estadísticamente significativas (P<0.5) entre tratamientos (tabla 20). Se observó la misma tendencia en el tallo y la parte aérea de la planta. En cuanto a los efectos en la concentración de proteínas totales, los resultados indicaron diferencias significativas entre tratamientos (P<0.05), en cada órgano (raíz, tallo y parte aérea), donde el genotipo sos-10 inoculado con A. halopraeferens mostró los valores más altos (tabla 20). De la misma manera, para la variable cenizas, aun cuando solo se haya realizado en órganos de tallo y parte aérea, los análisis estadísticos mostraron resultados similares a los de proteínas, donde el genotipo mejorado (sos-10) inoculado con A. halopraeferens presentó los valores más altos, seguido del tratamiento silvestre + K. pneumoniae. Los genotipos no inoculados presentaron los valores inferiores (tabla 20). Tabla 20. Efecto de bacterias fijadoras de N2(Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en el contenido de lípidos, proteínas y cenizas, de tres partes vegetativas (raíz, tallo y parte aérea), en etapa de floración, de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo Genotipo

Inoculante (Bacteria)

Raíz

Tallo

Porción aérea

Lípidos Proteína Lípidos Proteína Cenizas Lípidos Proteina, Cenizas 94.6 b 5.55 b

26.69 a 9.76 a

41.47 b 27'.04 b 9.38 b

59.18 b

Silvestre A. halopraeferens 95.4 b 4.79 d

17.50 d 7.57 c

42.56 b 22.54 e 6.23 e

58.16 c

Silvestre K. pneumoniae

7.08 d 56.60 d

Silvestre Control

52.0 e 4.09 f

14.22 f 5.38 e

38.10 c 21.94 f

sos-10

K. pneumoniae

89.4 c 5.23 c

24.33 b 8.87 b

40.47 cb 26.52 c 9.47 b

58.88 b

sos-10

A. halopraeferens 98.1a 5.77 a

23.64 c 9.75 a

45.27 a 28.71 a 10.74 a

59.84 a

Control

15.18e 6.47 d

39.93 c 22.98 d 7.73 c

55.71 e

sos-10

76.2 d 4.40 e

Nota: Promedios con misma letra en columna indican que no existen diferencias significativas (P>0.05).

Los resultados anteriores muestran que el crecimiento de S. bigelovii, durante el desarrollo vegetativo, fue promovido por las bacterias benéficas y que, por lo tanto, su uso puede ayudar en la expresión de su potencial de crecimiento y desarrollo, e.g. una mayor producción de biomasa. Es importante indicar que, entre los mecanismos 219

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

de interacción que citan algunos autores sobre microorganismos benéficos y plantas, está el de la promoción del crecimiento y desarrollo inducido por sustancias reguladoras de crecimiento (Itai y Vaadia, 1968; Mizrahi et al, 1970; Ungar, 1978 (b); O'Leary y Prisco, 1970; Khan et al, 1976); fijación de N2 y asimilación como nitrógeno orgánico; una captación mineral reforzada, y un crecimiento mejorado de la raíz (Baldani y Dobereiner, 1980; Albrecht e¿ a/., 1981; Haahtela et al., 1990; Kozyrovskaya et al, 1990; Conrad et al, 1992; Rodelas et al, 1996; Chelius y Triplett, 2000; Zexun y Wei, 2000; El-Shatnawi y Makhadmeh, 2001).

Efecto de Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens en el rendimiento de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre) Los resultados muestran que la inoculación de los genotipos con K. pneumoniae y A. halopraeferens afectó significativamente, de manera positiva, la producción de semilla (tabla 21). Referente a la producción de biomasa (gm"2), los resultados fueron similares en el genotipo mejorado con ambos inoculantes fijadores de N2, mostrando valores numéricamente altos, en comparación con los demás. Los valores inferiores fueron para los dos genotipos no inoculados y utilizados como controles (figura 45). Tabla 21. Efecto de bacterias fijadoras de N2(Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) sobre la variable producción de semilla (gplanta-1, g m 2 y kgha"1)» de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo

Genotipo

Inoculante (Bacteria)

Silvestre

K. pneumoniae

Silvestre Silvestre sos-10

A. halopraeferens

Producción de semilla (g) gm-2 kghcc' g planta'' 64.9 a 649.0 a 1.30 a 58.9 b

589.9 b

Control K. pneumoniae

1.18b 0.27 c 1.30 a

13.5 c 64.8 a

135.8 c 648.0 a

sos-10

A. halopraeferens

1.38 a

68.9 a

689.0 a

sos-10

Control

0.33 c

16.3 c

163.4 c

Nota: Promedios con misma letra en columna indican que no existen diferencias significativas (?>0.05).

220

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE Mร XICO

Figura 45. Efecto de bacterias fijadoras de N2 (Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en la producciรณn de biomasa (materia seca g nr 2 ), obtenida de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo

Fuente: Rueda Puente et al., (2003).

221

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Proporciones de lípidos, proteínas y cenizas en semilla Los análisis de variación mostraron diferencias significativas para la proporción de lípidos, proteínas, humedad y cenizas. Se encontró que las plantas inoculadas con las bacterias fijadoras de N2 (tabla 22) mostraron valores superiores, en comparación con las plantas de los tratamientos controles. Los valores superiores de lípidos se obtuvieron en forma consecutiva, mostrando una igualdad estadística para los tratamientos: silvestre + K. pneumoniae, sos-10 + K. pneumoniae, sos-10 + A. halopraeferens y silvestre + A. halopraeferens. Para proteínas, sos-10 + A. halopraeferens mostró valores superiores, seguido de el mismo genotipo mejorado, pero inoculado con K. pneumoniae. Para la variable humedad y cenizas, el genotipo sos-10 inoculado con K. pneumoniae fue estadísticamente superior, en relación con el resto de los tratamientos. Tabla 22. Efecto de bacterias fijadoras de N2(Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en el contenido de lípidos, proteínas, humedad y cenizas, presente en las semillas de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo Genotipo

Inoculante (Bacteria)

Silvestre Silvestre Silvestre sos-10 sos-10 sos-10

K pneumoniae A halopraeferens control K pneumoniae A halopraeferens control

Semilla Lípidos ^Proteínas Humedad *Ceniza (%) (mg/g) (%) (%) 21 6 e 94 6 a 4 74 c 24 5 b 22 03d 95 4 a 4 72 c 216 c 52 0 c 22 5 c 4 63 c 20 1 d 89 4 a 23 I b 25 4 a 6 43 a 98 1a 29 0 a 5 80 b 163 e 76 2 b 14 l f 19 3 f 4 75 c

Nota promedios con misma letra en columna indican que no existen diferencias significativas (P>0 05) * Resultados expresados en base seca

Referente a las proporciones de ácidos grasos, los análisis estadísticos indican que hubo diferencias significativas (P>0.05), entre tratamientos, con el contenido de ácido graso palmítico, resultando el tratamiento inoculado con K. pneumoniae, en genotipo silvestre, entre los valores más altos; mientras que el genotipo sos-10 + A. halopraeferens resultó el más afectado con este ácido. Referente al ácido esteárico, no hubo igualdad estadística entre tratamientos inoculados, en ambos tipos de semilla. Respecto al oleico, K. pneumoniae + sos-10 resultó ser significativamente alto, en comparación de los demás tratamientos. Con el ácido linoleico, el genotipo 222

SALICORNIA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

sos-10 + A. halopraeferens resultó estadísticamente significativo, siguiéndole, en segundo orden, ambos genotipos inoculados con K. pneumoniae. En relación con el linolénico, entre tratamientos no hubo significancia con excepción del genotipo mejorado sin inoculante, el cual resultó con los valores más bajos (tabla 23). Tabla 23. Efecto de bacterias fijadoras de N2 (Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en el porcentaje (absoluto) de ácidos grasos (palmítico, esteárico, oleico, linoleico y linolénico) en las semillas producidas en dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo Inoculante Bacteria Silvestre K. pneumoniae Silvestre A. halopraeferens Silvestre control sos-10 K. pneumoniae sos-10 A. halopraeferens sos-10 control Genotipo

Palmítico 15.46 ab 9.76 c 15.46 ab 11.20 be 16.80 a 17.87 a

Ácidos grasos (%) Esteárico Oleico Linoleico 1.13b 15.46 be 65.69 b 0.41c 13.28 c 74.01 a 0.66 c 18.34 ab 63.00 be 0.54 c 20.57 a 65.35 b 0.59 c 13.18c 67.10 b 15.30 be 62.96 be 2.38 a

Linolénico 2.26 ab 2.54 a 2.54 a 2.33 ab 2.33 ab 1.49 c

En cuanto a los efectos de los inoculantes bacterianos fijadores de N2 en el periodo de vida de S. bigelovii, en comparación al análisis de variación, transformando los datos de porcentaje de germinación mediante arcoseno, en la tabla 24 se muestra que el tiempo de vida para cada genotipo, con su respectivo inoculante (bacteria), fue estadísticamente igual (Duncan, P<0.05). La figura 46 esquematiza (de manera general) el efecto de las bacterias fijadoras de nitrógeno (K. pneumoniae y A. halopraeferens) sobre la fenología de S. bigelovii, en sus principales etapas vegetativas. Tabla 24. Efecto de bacterias fijadoras de N2 (Klebsiellapneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en el periodo de vida (días) de dos genotipos de Salicornia bigelovii (sos-10 y silvestre), bajo condiciones de campo Inoculante (Bacteria)

Genotipo Silvestre Silvestre Silvestre

K. pneumoniae A. halopraeferens control

Tiempo de vida (días) 254

251 234

ab a

Continúa... 223

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

..continuación.

sos-10

K. pneumoniae

272

sos-10

251

sos-10

control

238

halopraeferens

Nota: Promedios con misma letra indican que no existen diferencias significativas (P>0.05).

Figura 46. Esquema del efecto de las bacterias fijadoras de N2(Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens) en las principales etapas fenológicas de Salicornia bigelovii, bajo condiciones de campo

Germinación de ecotipos de Salicornia bigelovii por el efecto de la inoculación de bacterias promotoras de crecimiento en plantas Con el propósito de ampliar la información relacionada con los estudios de la interacción planta-microorganismo in vitro, en la halófita S. bigelovii, el objetivo general de la presente investigación consistió en evaluar el efecto de la inoculación de dos halobacterias promotoras del crecimiento de plantas (BPCP): Azospirillum halopraeferens y Klebsiella pneuomoniae, en semillas de cuatro ecotipos de S. bigelovii, sometiéndolas a tres concentraciones de salinidad (0.0, 0.25 y 0.5 M) de cloruro de sodio (NaCl). Las variables evaluadas fueron: porcentaje de germinación, tasa de germinación, altura de la plántula, longitud radicular de la plántula, peso fresco y seco de la plántula y, por último, el número de bacterias adheridas al sistema radicular. La semilla fue colectada de plantas maduras de S. bigelovii que cumplieron su ciclo de vida en el 2005. Los ecotipos fueron colectados de los esteros Santa Rosa 224

SALICORNJA BIGELOVII. ESTUDIOS DESARROLLADOS EN EL NOROESTE DE MÉXICO

Grande (SRG), Santa Rosa Chica (SRCH), Santa Cruz (SC) y Cerro Prieto (CP). La inoculación en la semilla con las bacterias A. halopraeferens y K. pneumoniae se realizó mediante la técnica de inoculación al vacío. Los tratamientos estudiados fueron sometidos bajo la influencia de tres concentraciones de NaCl, a una temperatura constante de 27 °C y en oscuridad continua. El diseño estadístico aplicado un completamente al azar, con un arreglo factorial (4*3*3). Al cabo de la inoculación de las dos BPCP: Azospirillum halopraeferens (Ah) y Klebsiella pneuomoniae (Kp), en la semilla de los ecotipos en estudio (SRG, SRCH, SC Y CP), de S. bigelovii, bajo condiciones de tres concentraciones de salinidad (0.0, 0.25 y 0.5 M) de cloruro de sodio (NaCl) y en oscuridad continua, los resultados indicaron que un porcentaje mayor de germinación fue observado en ausencia de NaCl, sobresaliendo aquellos inoculados. CP+ Ah y/o Kp y/o control, mostraron los valores más altos (100%) en 0.0 y 0.25 M de NaCl, resultando favorecido, el mismo ecotipo, a 0.5 M, por ambas bacterias. En tasa de germinación, ambas BPCP incidieron positivamente sobre los ecotipos. También se observó que, conforme la salinidad incrementa, Kp presenta mayor efectividad en peso fresco y seco, de las plántulas de SRCH y CP, las cuales mostraron los valores máximos. El número de células adheridas al sistema radicular no fue afectado por las concentraciones de NaCl. Son necesarios, estudios como posibles biofertilizantes en las diferentes etapas fenológicas con el ecotipo CP, el cual para esta etapa fenológica, resultó tener expectativas.

225

14 Discusión general

ebido a factores adversos (bióticos y abióticos) a los que están expuestos los cultivos convencionales en las zonas áridas, las halófitas con potencial productivo son los recursos biológicos más promisorios (Gallawa, 1996; Lieth y Masoom, 1993). Salicornia bigelovii, una halófita que se desarrolla en las costas de Baja California Sur, se vislumbra, para el futuro inmediato, como una opción para contribuir en la economia agrícola, con un posible impacto positivo en el desarrollo regional del sector agrícola de La Paz, B.C.S. (Mota, 1980; Gallawa, 1996). Aunado a lo anterior, los microorganismos con efecto benéfico en las plantas desempeñan un papel potencial y considerable como agentes de biofertilizantes (Bidwell, 1979; Devlin, 1980;Arsac et la., 1990;Parke, 1991; Sacon, 1993;Bashan et al., 1996). Sin embargo, las investigaciones referentes a bacterias promotoras de crecimiento y a plantas halófitas son escasas, por lo que es necesario realizar estudios sobre halófitas, y el medio ambiente que les rodea, con la finalidad de ampliar la gama de bacterias endémicas fijadoras de nitrógeno, el conocimiento de la densidad de inóculo, de la fisiología de cepas promotoras, de su inoculación en diferentes cultivos, de la ecología a nivel de rizósfera, entre otros aspectos. Referente a Salicornia bigelovii y al aislamiento de bacterias indígenas asociadas con la rizósfera, si bien las investigaciones relacionadas con estudios a nivel de rizósfera no son tan abundantes como en otras especies (Reinhold et al., 1987; Hamdi, 1999; Ungar, 2000; Rojas et al, 2001), algunos estudios (Booth et al, 1988; Goodfriend et al, 2000; Hilderbrandt et al, 2000; Bagwell et al, 2001) mencionan la posible presencia de este tipo de microorganismos. El presente trabajo muestra y confirma que la asociación de bacterias benéficas, asociadas a la rizósfera de la halófita S. bigelovii, es un aporte a la investigación sobre la detección de bacterias promotoras de crecimiento vegetal, con posible potencial 227

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

agrícola, donde es necesario conocer la influencia positiva sobre las plantas, ya que en estudios previos, concernientes a la producción de halófitas (Mc Graw y Ungar, 1981; Stumpf et al, 1986; Ungar, 2000), la productividad de este tipo de plantas está limitada a la disponibilidad de nitrógeno en biomasa, entre otros aspectos; además de que una de las actividades agrícolas que se realizan para solucionar la deficiencia de nitrógeno es el uso de fertilizantes sintéticos, lo cual frecuentemente cae en un uso indiscriminado, afectando principalmente la microflora del suelo, entre ellas los microorganismos benéficos (Martínez, 1996). En estas investigaciones se realizaron estudios para evaluar el efecto de las bacterias indígenas, en condiciones controladas, en las etapas de germinación y estado de la plántula; y un estudio bajo condiciones de campo, durante todo el ciclo fenológico de S. bigelovii. Como una primera aproximación, se realizó un estudio, a nivel de rizósfera, aislando bacterias fijadoras ale nitrógeno en el área de la bahía de La Paz, B.C.S., así como la caracterización de la bacteria, la cual presentó una alta capacidad de fijar nitrógeno (prueba de reducción de acetileno). Los resultados indican que la obtención de bacterias fijadoras de nitrógeno mediante técnicas de cultivo, utilizando medios de cultivo libres de una fuente de nitrógeno, a una concentración de 0.5 M de NaCl, resultó ser apropiada para determinar la presencia de este tipo de microorganismos, ya que se lograron obtener 18 aislamientos en los cinco puntos de muestreo y en las dos etapas vegetativas muestreadas (plántula y floración) de S. bigelovii. Lo anterior indica que las especies microbianas no pueden existir aisladas en la naturaleza, originando posibilidades de interacciones que pueden ser benéficas o perjudiciales, antagónicas o sinérgicas (Brock et al., 1987). El antagonismo estaría dado por el daño existente —para uno o ambos organismos— y el sinergismo de las interacciones que puedan efectuarse entre bacterias por medio del intercambio de nutrimentos, por la remoción de algunos productos inhibitorios o por medio de mecanismos físicos y químicos, como la concentración de oxígeno o el potencial óxido-reducción (Bashan y Holguin, 1997a). Este último aspecto reviste un marcado interés para utilizarlas como biofertilizantes, ya sea de manera aislada o utilizadas en coinoculación (Khammas y Kaiser, 1992). Por otra parte, en el estudio de reducción de acetileno de los 18 aislamientos, la bacteria halotolerante Klebsiella pneumoniae fue la única que mostró una alta actividad, comparada con el control halotolerante Azospirillum halopraeferens. Lo anterior es indicativo para inferir que, en estudios de bacterias por separado, las mismas pueden disminuir su capacidad para reducir el acetileno. Dicha aseveración pudo deberse a que la ausencia de la interacción de estas bacterias fijadoras de N2 con otros microorganismos diazotróficos, al parecer promueve o inhibe su actividad, lo cual 228

DISCUSIÓN GENERAL

es común entre microorganismos (Drodowiez y Ferreira, 1987; Will y Sylvia, 1990; Isopi et al, 1995; Halsall y Gibson, 1989; Holguin et al, 1992, Holguin y Bashan, 1996; Ronkko et al., 1993; Rojas et al., 2001). Los análisis de identificación y caracterización de la bacteria con alta actividad reductora de acetileno mostraron que se trata del género-especie Klebsiella pneumoniae, la cual se ha encontrado en forma natural en suelo y agua, así como también asociada a plantas de manera endófita (Ladha et al., 1983; Das, 1991; Bredha et al., 1994; Shloter y Hartmann, 1998; Chelius y Triplett, 2000). Sin embargo, en ambientes salinos, en especial para S. bigelovii, el presente estudio es el primer reporte que se tiene de dicho microorganismo. Por otra parte, para la generación de una nueva planta, uno de los primeros procesos fisiológicos que ocurren es la germinación de semillas, la cual comprende una serie de procesos que comienzan con la imbibición de agua y culminan con la emergencia de la plántula a través de las cubiertas del endospermo; aunado a ello, factores determinantes, como la humedad, oxígeno, luz y temperatura (Salisbury y Ross, 1994; Sacon, 1993; Ortegón et al, 1993; Ondarza, 1996). Estudios relacionados con la germinación en halófitas indican que, en la mayoría de estas especies, el porcentaje máximo de germinación se realiza conforme el contenido de sales disminuye. En forma natural, este fenómeno se lleva a cabo cuando el periodo de lluvias presenta su máxima precipitación, favoreciendo la disminución en el contenido de sales en el suelo (Breen et al., 1977; Ungar, 1977 y 1982; Ayala y O'Leary, 1995; Zalba y Peinemann, 1998). Un comportamiento similar lo presentan también las semillas de glicófitas (Murillo-Amador et al., 2000). Como una segunda aproximación, se evaluó el efecto de la germinación de S. bigelovii. Una modalidad que no se ha reportado para Salicornia es la de someter la semilla a diferentes niveles de salinidad, pero con la interacción de microorganismos benéficos, como Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens. Los resultados de los estudios mostraron que al evaluar los dos genotipos (silvestre y sos-10), el porcentaje de germinación se redujo por el efecto de la salinidad, coincidiendo con numerosos estudios donde, arriba de 5% de NaCl (0.856 M), inducen a las semillas a un estado de latencia (Khan et al, 1976; McGraw y Ungar, 1981; Philipupilla y Ungar, 1984). Sin embargo, dicho efecto (% germinación), en condiciones de NaCl, se vio mitigado por la inoculación de las bacterias, las cuales favorecen diversos procesos fisiológicos de las plantas, debido a la producción de hormonas capaces de influir en la velocidad del metabolismo, así como en la respiración de la semilla y el posterior desarrollo de la raíz hospedada, según Conrad et al, (1992); Kozyrovskaya et al, (1990); Zexun y Wei, (2000), y Haahtela et al, (1990). De la misma manera, se reporta que un grupo importante de reguladores, como las 229

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

giberelinas, estimula la germinación en halófitas al igual que en glicófitas, bajo condiciones de salinidad (NaCl), produciendo efectos positivos, como la interrupción de latencia y el incremento de biomasa (Khan y Weber 1971; Ungar, 1978a, 1978b, 1982 y 2000; Ondarza, 1996). El efecto anterior, descrito para el factor salinidad, repercutió con una tendencia de disminución de unidades formadoras de colonias (UFC), adheridas al sistema radicular. Sin embargo, la interacción de bacterias con ambos genotipos mostró que A. halopraeferens no era tan afectado cuando fue inoculado con S. bigelovii cv. sos-10, como con el genotipo silvestre; mientras para el caso de la bacteria K. pneumoniae sucedía lo contrario. Esta especificidad de asociación planta-bacteria hasta la fecha, es discutible, de acuerdo con hallazgos publicados por Arsac et al, (1990) y Baldani y Dobereiner (1980), quienes indican que este tipo de resultados puede depender de la especificidad de la planta, así como del tipo de especie de microorganismo. Una vez generada una nueva planta, el sistema radicular ejerce un papel muy importante para el sustento de la misma (Salisbury y Ross, 1994), ya que, además de ser esa interfase entre la vida terrestre y el sustrato mineral proveedor de los elementos minerales, es una región de alta actividad metabólica, como resultado de las asociaciones planta-microorganismo (Wipps, 2000). La inoculación de microorganismos benéficos a nivel de rizósfera y el establecimiento exitoso como colonizadores radiculares ejercen un papel muy importante, ya que además toman en cuenta las características propias de la bacteria (respuesta quimiotáctica, genotipo de la planta, agua de percolación, microflora nativa del suelo). Existen otros aspectos que deben ser considerados, como la técnica (tipo y forma) de inoculación, la cual debe ser práctica, económica y fácil de manejar, además de que el producto formulado debe proveer inóculo suficiente para la planta y tener una viabilidad de almacenamiento largo (Fages, 1992). Actualmente se utilizan algunos métodos para inocular bacterias, el más simple es aplicando las bacterias en suspensión líquida, ya sea directamente al suelo, o a las semillas. Esta técnica se ha utilizado en numerosos experimentos de invernadero y de campo (Fages, 1992). Otra opción es mediante esferas o encapsulados bacterianos en una matriz de alginates, la cual se considera como un acarreador químicamente inerte (similar al polvo de mármol, arena o carbonato de calcio), seco, fácil de usar, uniforme, biodegradable por organismos del suelo, y de naturaleza no tóxica. Los resultados muestran que el tratamiento correspondiente a la bacteria A. halopraeferens, utilizando la vía de esferas, promueve el crecimiento de la planta. Lo anterior puede deberse a que la matriz desempeña un papel importante para contener una población bacteriana vasta y uniforme, lo que permite la liberación gradual de las bacterias durante periodos largos, hasta de un mes. En estudios referentes a inocu230

DISCUSIÓN GENERAL

lantes encapsulados, aun cuando hayan sido inoculados en otras especies vegetales, los resultados son similares (Bashan, 1986). Sin embargo, el encapsulamiento debe ser eficientado, ya que, según Bashan et al, (2002), el uso de macroesferas presenta desventajas, como la difusión de 0 2 , limitando la inhabitabilidad, hasta en 80% del volumen de las esferas, y la movilización de la bacteria, desde las macroesferas hasta el sistema radicular, provocando posteriores reinoculaciones. Dicho evento pudo haber provocado que en el presente estudio no se presentaran diferencias significativas en el crecimiento del sistema radicular. Por otra parte, una de las principales vías para desarrollar nuevos cultivos con potencial productivo es realizar investigaciones previas, considerando, entre otros parámetros, la condición nutrimental y de crecimiento. Las inoculaciones de plantas con bacterias benéficas, como las fijadoras de N2, son una práctica agrícola importante, debido a la capacidad de promover el crecimiento, y porque representan un papel importante en el ciclo del nitrógeno. La importancia para ampliar la gama, introducir y aplicar este tipo de bacterias, en condiciones de zonas áridas, ha aumentado durante la última década (Arsac et al, 1990; Hamdi, 1999). En otro de los estudios sobre la evaluación bajo condiciones de campo, la inoculación de Klebsiella pneumoniae fue comparada con Azospirillum halopraeferens en los dos genotipos de S. bigelovii (silvestre y sos-10). En las variables analizadas a lo largo de las etapas fenológicas, los tratamientos mostraron ser sensibles a la inoculación bacteriana. La tasa de germinación fue influenciada positivamente, pero el porcentaje de germinación no fue afectado positivamente. Por otro lado, la altura de planta y la longitud de la raíz fueron consideradas variables apropiadas para diferenciar entre K. pneumoniae y A. halopraeferens, en ambos genotipos, evidenciando que los resultados fueron positivos debido a la inoculación de las bacterias en estudio. Asimismo, los resultados experimentales de campo mostraron que la inoculación en ambos genotipos también fue notable en la proporción lipídica, de proteínas, de humedad y de ceniza en el sistema radicular, el tallo y la parte aérea, cuando fue comparada con los genotipos no inoculados. Bajo las condiciones experimentales, la bacteria K. pneumoniae resultó tener compatibilidad para el genotipo silvestre, mientras que A. halopraeferens, para el genotipo sos-10. Este efecto se constató también en la fase fisiológica de producción, en la que fueron encontradas diferencias significativas (P<0.05) para las variables biomasa seca (gnr 2 ) y semilla (gm2). Los resultados, relacionados con incrementos en el rendimiento, bajo las condiciones de campo dadas, y debido al efecto benéfico por K. pneumoniae y A. halopraeferens en las plantas de Salicornia, sugieren la factibilidad de sustituir fertilizante nitrogenado. Lo anterior implica la posibilidad de la introducción de bacterias benéficas, como K. pneumoniae y A. halopraeferens, a 231

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

plantas halotolerantes con potencial productivo, como S. bigelovii, en áreas productoras agrícolas de zonas semiáridas y costeras (Bashan eí al., 2000). Sin embargo, es necesario investigar aún más en el destino de las inoculaciones en la rizósfera de la halófita Salicornia bigelovii, por lo que, en este sentido, es deseable dirigir estudios complementarios sobre este recurso vegetal y su interacción con bacterias benéficas.

232

Conclusiones generales

entro de las zonas con alto potencial agrícola, las zonas áridas conforman alrededor de 43% del área total del mundo. Entre los principales países que presentan este tipo de áreas en gran escala, se encuentran Arabia Saudita, Norte de África, Brasil y México. En este último, las escasas precipitaciones, el agotamiento de las fuentes de recursos hidrológicos y la alta salinidad de los suelos representan una limitante para el desarrollo de la agricultura convencional. Por lo anterior, es imprescindible orientar los esfuerzos de investigación, para generar tecnologías agrícolas que innoven cultivos agroindustriales; o bien, desarrollar recursos vegetales endémicos que posean alto potencial de industrialización y que, gracias a su capacidad de producción en suelos salinos o en condiciones de sequía, nos permitan optimizar la productividad del sector agrícola. En las últimas tres décadas se han orientado los esfuerzos de investigación hacia el estudio y desarrollo de recursos vegetales que constituyan una alternativa a los agroindustriales tradicionales. Estos estudios muestran que las halófitas son los recursos biológicos más promisorios para explotar o desarrollar económicamente en las zonas áridas y costeras, ya que toleran altas concentraciones de sales y se desarrollan en terrenos costeros y suelos ensalitrados del mundo. Entre ellas, destaca el género Salicornia, el cual está constituido por las especies: S. pacifica, S. subterminalis, S. virginica, S. borealis, S. marítima, S. rubra y S. bigelovii, de las cuales, las tres primeras son perennes, y las demás, anuales. De éstas, Salicornia bigelovii es de gran interés, ya que se le ha encontrado un promisorio potencial agroindustrial y económico. La importancia agroindustrial de la misma reside en su capacidad de producción de forrajes, aceites vegetales y alimentos para consumo humano, esencialmente ensaladas y harinas. Sumado a ello, ha quedado demostrada su aplicabilidad en industrias como la cosmetología, la construcción, (fibra seca prensada), y, fundamentalmente, para la recuperación de áreas degradadas por salinización, ya sea 233

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

natural o inducida por prácticas agrícolas inadecuadas, lo cual favorece la economia rural. A nivel mundial, S. bigelovii tiene una amplia distribución a lo largo de costas, en el isotermo, entre 10 a 25 °C, por lo que es factible su desarrollo como nuevo cultivo, en zonas costeras de áreas áridas, con perspectivas de explotación comercial. Los estudios experimentales desarrollados determinan la presencia de bacterias fijadoras de nitrógeno, asociadas con la rizósfera de S. bigelovii, indicando que un nivel de diversidad bacteriana también existe in situ. Asimismo, se confirmó que son una fuente de nitrógeno para la planta, debido a la suma de interacciones entre diferentes miembros de la comunidad microbiana de la rizósfera. El aislamiento y caracterización de Klebsiella pneumoniae y otras especies identificadas, asociadas con la rizósfera, como Rhizobium spp., son el primer reporte en S. bigelovii. Es de esperarse que las interacciones in situ serán mucho más complejas, debido a la gran diversidad microbiana de la rizósfera. La evaluación de la bacteria Klebsiella pneumoniae (fijadora de nitrógeno), comparada con la halotolerante Azospirillum halopraeferens, en las condiciones experimentales en que se desarrolló el presente estudio, originó las siguiente conclusión. El efecto de la salinidad en la germinación de S. bigelovii es afectado negativamente. Sin embargo, la inoculación de las bacterias Klebsiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferans mitiga ese efecto negativo, promoviendo la germinación de la semilla. Los resultados experimentales de campo mostraron que la inoculación en ambos genotipos también fue notable en la proporción lipídica, de proteínas, humedad y ceniza en el sistema radicular, el tallo y la parte aérea, cuando fue comparada con los genotipos no inoculados. Bajo las condiciones experimentales, la bacteria K. pneumoniae resultó tener compatibilidad para el genotipo silvestre, y A. halopraeferens, para el genotipo sos-10, constatándose también en la fase fisiológica de producción, en el cual se encontraron diferencias significativas (P<0.05) para las variables de producción. Los resultados obtenidos, relacionados con incrementos en el rendimiento, bajo las condiciones de campo dadas, y debido al efecto benéfico de K. pneumoniae y A. halopraeferens en las plantas de Salicornia, sugieren la factibilidad de sustituir fertilizantes nitrogenados donde las producciones de biomasa y semilla son significativas, en comparación de los controles no inoculados. Se reafirma la posible y viable introducción de bacterias benéficas, como K. pneumoniae y A. halopraeferens, a plantas halotolerantes con potencial productivo, como S. bigelovii, en áreas productoras agrícolas de zonas semiáridas y costeras. Finalmente, es importante mencionar que este tipo de trabajos experimentales contribuyen a ampliar el conocimiento de las posibles alternativas de producción agrícola y de los efectos en la aplicación de biofertilizantes en nuevos materiales vegetativos, con potencial productivo, de interés socioeconómico para Estados con problemas de disponibilidad de agua de buena calidad. 234

CONCLUSIONES GENERALES

Asimismo, las investigaciones en el campo de la tolerancia a la salinidad, en la última década, tuvieron un desarrollo importante, identificándose genes y proteínas con roles importantes en la fisiología de la halotolerancia, y repercutiendo en el conocimiento de cómo se desencadenan y activan las respuestas de las células vegetales ante este estrés, y sus interrelaciones con otros factores ambientales. Las nuevas tecnologías (micro y macroarreglos de ADN, transformación genética de plantas) prometen brindar nuevos descubrimientos, fundamentales para entender cómo las especies vegetales son capaces de adaptarse a un ambiente siempre cambiante.

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Perspectivas

a salinidad es un fenómeno complejo que debe ser abordado desde un enfoque multidisciplinario, donde el esfuerzo conjunto de agrónomos, bioquímicos, genetistas, biólogos moleculares, fisiólogos vegetales y científicos de suelo, entre otros, conduzca la investigación para obtener conocimientos y lograr resultados mejores en la producción de alimentos en la agricultura de zonas áridas. Son necesarias más investigaciones para evaluar el potencial de cultivares de hortalizas promisorios de para ser cultivados en áreas con problemas de salinización. Realizar experimentación sobre aspectos de nutrición vegetal en ambientes salinos, lo cual provea nuevos conocimientos de la eficiencia de la fertilización bajo la interacción de nutrientes y salinidad. Se requiere realizar estudios con otras especies de hortalizas, enfocados en los cambios fisiológicos, y su relación con la respuesta bioquímica bajo ambiente salino. Estudiar con mayor atención la capacidad de los cultivos en la distribución de iones en los tejidos, y su relación con la tolerancia a salinidad. Evaluar cultivos con una alta capacidad o eficiencia en la formación de materia seca, por unidad de agua asimilada; lo que originará una menor asimilación de sales tóxicas, por unidad de materia seca producida. Conocer con mayor detalle la respuesta de la actividad de las enzimas relacionadas con mecanismos de defensa al estrés, como peroxidasas, superoxidodismutasa; otras relacionadas con la eficiencia de iones fertilizantes, como nitroreductasas, y las enzimas involucradas en el ciclo de la fijación del carbono, iniciando con Rubisco. La fijación de nitrógeno, en ambientes donde se desarrolla la halófita S. bigelovii, puede ser un aporte significativo, de dicho macronutriente, para el sostenimiento de la producción primaria de este tipo de plantas, por lo que se requiere analizar cómo interviene la fijación de nitrógeno en el desarrollo y sostenimiento de Salicornia. 237

LA SALINIDAD: ¿UN PROBLEMA O UNA OPCIÓN PARA LA AGRICULTURA?

Es importante estudiar, con mayor énfasis, cómo interactúan y compiten las bacterias promotoras de crecimiento, con otros miembros de la comunidad microbiana nativa de la rizósfera de Salicornia; sobre todo si se pretende desarrollar un sistema de inoculación exitoso que pueda repercutir en la producción agrícola. Son necesarias más investigaciones, a nivel de campo, para evaluar el potencial de la halófita Salicornia bigelovii, y ser introducida en áreas con problemas de salinización, como diversas regiones en la península de Baja California. Aunado a lo anterior, la aplicación de biofertilizantes, como Klesiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens, los cuales proveen nuevos conocimientos en su eficiencia. Las zonas costeras representan una fuente de recursos naturales muy importante, por lo que sería de vital importancia el estudio, a escala local, de la implementación de S. bigelovii, bajo las condiciones de la bahía de La Paz, con la participación del sector pesquero. Realizar experimentación en la biorremediación de los suelos en las zonas agrícolas, utilizando S. bigelovii y la inoculación de microorganismos promotores de crecimiento, como Klesiella pneumoniae y Azospirillum halopraeferens. Es deseable estudiar las respuestas de otros cultivos (glicófitas y halófilas los cuales se desarrollan en la región y/o tienen potencial productivo), con la inoculación de los microorganismos estudiados en esta investigación. Es importante la ampliación de la gama de microorganismos diazotróficos indígenas de la región (capacidad halotolerante), y su posterior estudio con plantas cultivadas en suelos salinos. Para incrementar la factibilidad de aplicación, deben desarrollarse y proponerse técnicas de inoculación a nivel campo.

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La salinidad: ¿un problema o una opción para la agricultura? se terminó de imprimir en julio de 2009 en los talleres de Impresos Rometa, Cuauhtemoc número 290, colonia Aldana, delegación Azcapotzalco. C.P. 02910, México, D.F. El tiraje consta de 1 000 ejemplares.