Correo Electrónico
DNINFOA - SIA
Bibliotecas
Convocatorias
Identidad U.N.
Publicado
Respuesta de cultivares de Musa spp. al estrés hídrico in vitro inducido con polietilenglicol 6000
Responses of Musa spp. cultivars to in vitro water stress induced with polyethylene glycol 6000
DOI:
https://doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v19n2.60405Palabras clave:
bananos, PEG, plátanos, selección in vitro, sequía (es)bananas, drought, in vitro selection, PEG, plantains (en)
Los plátanos y bananos son cultivos sensibles al déficit hídrico. Las sequías cada vez más prolongadas sugieren la necesidad de obtener plantas tolerantes a este factor; la selección temprana de estas plantas, comparada con la selección en campo, permite ahorrar tiempo y trabajar con mayores volúmenes de individuos. Para ello es conveniente contar con cultivares patrones cuya respuesta al déficit hídrico in vitro sea favorable. El objetivo del presente trabajo fue determinar la respuesta de cultivares de Musa spp. con diferente composición genómica al estrés hídrico inducido in vitro con polietilenglicol 6000 (PEG-6000). Se estudiaron los cultivares ‘Pelipita’ (ABB), ‘Manzano’ (AAB) y ‘Grande naine’ (AAA). El estrés se indujo con 30 g/L de PEG-6000 en medio de cultivo semisólido de multiplicación. A los 30 días se evaluaron variables indicadoras de estrés morfológicas (altura y número de brotes por explante), fisiológicas (masa fresca y masa seca) y bioquímicas (contenido prolina, peróxido de hidrógeno y malondialdehido). En el cultivar ‘Pelipita’ se afectó solamente la altura de las plantas, mientras que en los demás se afectaron todas las variables excepto la masa seca en el ‘Manzano’. En este último y en el ‘Grande naine’ se incrementó la prolina, el peróxido de hidrógeno y el malondialdehido, lo que evidenció un mayor estrés oxidativo y daño en las membranas celulares. Los cultivares estudiados, pudieran emplearse como controles de tolerancia (‘Pelipita’) y sensibilidad (‘Grande naine’ y ‘Manzano’) en la selección in vitro de plantas tolerantes a la sequía, en futuros programas de mejoramiento genético.
Bananas and plantains are crops very sensitive to water deficit. Increasingly prolonged drought condition suggests the need for tolerant plants to this factor. The early selection of these plants in in vitro conditions save time and allow working with large volumes of individuals. This requires having genotypes with favorable response to in vitro water deficit. The aim of this work was to determine the response of Musa spp. cultivars, with different genotype contribution, to in vitro water stress induced by polyethylene glycol 6000 (PEG-6000). Cultivars ‘Pelipita’ (ABB), ‘Manzano’ (AAB) and ‘Grande naine’ (AAA) were cultured in semisolid multiplication medium supplemented with PEG-6000 30 g/L. Different stress indicator traits were evaluated after 30 days (morphological: height and number of shoots per explant; physiological: fresh and dry weight; and biochemical: proline, hydrogen peroxide and malondialdehyde content). As results, osmotic stress affected only plant height in ‘Pelipita’ cultivar. However, in the other cultivars all variables were affected, except dry weight in ‘Manzano’. Moreover cv. ‘Grande naine’ and ‘Manzano’ increased proline, hydrogen peroxide and malondialdehyde content. These results indicate that osmotic pressure could induce oxidative stress and cell membrane damages in these cultivars. The obtained results suggested that these genotypes could be used as a tolerant (‘Pelipita’) and sensitive (‘Grande naine’ and ‘Manzano’) controls in in vitro selection of drought-tolerant plants in future breeding programs.
Recibido: 16 de agosto de 2016; Aceptado: 5 de diciembre de 2017
RESUMEN
Los plátanos y bananos son cultivos sensibles al déficit hídrico. Las sequías cada vez más prolongadas sugieren la necesidad de obtener plantas tolerantes a este factor; la selección temprana de estas plantas, comparada con la selección en campo, permite ahorrar tiempo y trabajar con mayores volúmenes de individuos. Para ello es conveniente contar con cultivares patrones cuya respuesta al déficit hídrico in vitro sea favorable. El objetivo del presente trabajo fue determinar la respuesta de cultivares de Musa spp. con diferente composición genómica al estrés hídrico inducido in vitro con polietilenglicol 6000 (PEG-6000). Se estudiaron los cultivares ‘Pelipita’ (ABB), ‘Manzano’ (AAB) y ‘Grande naine’ (AAA). El estrés se indujo con 30 g/L de PEG-6000 en medio de cultivo semisólido de multiplicación. A los 30 días se evaluaron variables indicadoras de estrés morfológicas (altura y número de brotes por explante), fisiológicas (masa fresca y masa seca) y bioquímicas (contenido prolina, peróxido de hidrógeno y malondialdehido). En el cultivar ‘Pelipita’ se afectó solamente la altura de las plantas, mientras que en los demás se afectaron todas las variables excepto la masa seca en el ‘Manzano’. En este último y en el ‘Grande naine’ se incrementó la prolina, el peróxido de hidrógeno y el malondialdehido, lo que evidenció un mayor estrés oxidativo y daño en las membranas celulares. Los cultivares estudiados, pudieran emplearse como controles de tolerancia (‘Pelipita’) y sensibilidad (‘Grande naine’ y ‘Manzano’) en la selección in vitro de plantas tolerantes a la sequía, en futuros programas de mejoramiento genético.
Palabras clave:
bananos, PEG, plátanos, selección in vitro, sequía.ABSTRACT
Bananas and plantains are crops very sensitive to water deficit. Increasingly prolonged drought condition suggests the need for tolerant plants to this factor. The early selection of these plants in in vitro conditions save time and allow working with large volumes of individuals. This requires having genotypes with favorable response to in vitro water deficit. The aim of this work was to determine the response of Musa spp. cultivars, with different genotype contribution, to in vitro water stress induced by polyethylene glycol 6000 (PEG-6000). Cultivars ‘Pelipita’ (ABB), ‘Manzano’ (AAB) and ‘Grande naine’ (AAA) were cultured in semisolid multiplication medium supplemented with PEG-6000 30 g/L. Different stress indicator traits were evaluated after 30 days (morphological: height and number of shoots per explant; physiological: fresh and dry weight; and biochemical: proline, hydrogen peroxide and malondialdehyde content). As results, osmotic stress affected only plant height in ‘Pelipita’ cultivar. However, in the other cultivars all variables were affected, except dry weight in ‘Manzano’. Moreover cv. ‘Grande naine’ and ‘Manzano’ increased proline, hydrogen peroxide and malondialdehyde content. These results indicate that osmotic pressure could induce oxidative stress and cell membrane damages in these cultivars. The obtained results suggested that these genotypes could be used as a tolerant (‘Pelipita’) and sensitive (‘Grande naine’ and ‘Manzano’) controls in in vitro selection of drought-tolerant plants in future breeding programs.
Key words:
bananas, drought, in vitro selection, PEG, plantains.INTRODUCCIÓN
Los plátanos y bananos (Musa spp.) se encuentran ampliamente distribuidos en las regiones tropicales y subtropicales del mundo, donde tienen gran importancia nutricional, económica y social ya que son fuente de alimento, ingreso económico y empleo (Ramírez-Villalobos et al., 2012). Según datos estadísticos de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) la producción de estos cultivos para el año 2016 fue de aproximadamente 148.344.104 toneladas (FAOSTAT, 2017).
Al ser cultivos que se desarrollan en los trópicos están adaptados a buenas condiciones de humedad, necesitan por lo menos 25 mm de agua por semana, y para mantener una productividad óptima requieren de precipitaciones anuales de 2000-2500 mm uniformemente distribuidas a lo largo del año. Cuando las condiciones de riego son limitadas, la sequía constituye para ellos una de las principales causas de las pérdidas en los rendimientos agrícolas (Vanhove et al., 2012).
En las últimas décadas como consecuencia del cambio climático se ha percibido un incremento en la temperatura global del planeta, lo cual ha provocado la incidencia de sequías prolongadas en las zonas productoras de plátanos y bananos. Esta problemática ha llevado a la comunidad científica a pensar en la necesidad de obtener nuevos genotipos tolerantes al déficit hídrico (Salazar et al., 2014).
Los cultivares de Musa spp. que poseen mayor valor comercial son generalmente estériles, poliploides y se propagan vegetativamente (Ravi et al., 2013), por esta razón para su mejoramiento genético no resulta conveniente utilizar las técnicas clásicas. En su lugar, la biotecnología ofrece múltiples ventajas, entre ellas la selección in vitro, ya que permite ahorrar tiempo, recursos y trabajar con un mayor volumen de individuos. Además se plantea que existe una correlación entre las respuestas de las plantas en condiciones in vitro e in vivo (Mohamed et al., 2000).
Para poder seleccionar en cultivares sensibles a la sequía, plantas que hayan adquirido tolerancia luego de haber transitado por un proceso de mejoramiento genético, es necesario conocer aspectos como el agente selectivo a emplear, las variables a determinar para detectar la tolerancia, y los cultivares a usar como referencia por su tolerancia y/o sensibilidad frente al estrés. En este sentido, como agentes selectivos para la detección de plantas tolerantes a estrés hídrico, han sido usadas en varios cultivos sustancias como la sacarosa, el manitol, el sorbitol y el PEG (Rai et al., 2011). En Musa spp. esta última ha sido empleada por varios autores (Shekhawat et al., 2011; Bidabadi et al., 2012).
Como variables para detectar la tolerancia a estrés hídrico en varios cultivos incluidas las musáceas han sido utilizados indicadores del crecimiento vegetal, y del funcionamiento de procesos fisiológicos y bioquímicos. La relevancia de medir estos indicadores radica en las modificaciones que sufren ante la presencia de un estrés en la planta. Algunos de ellos son la altura de las plantas, la longitud de las raíces, el número de brotes por explante, las masas fresca y seca, el contenido relativo de agua, y los contenidos de prolina, malondialdehido y peróxido de hidrógeno entre otros (Mahmood et al., 2012; Rustagi et al., 2015; Tak et al., 2017).
Por otro lado, se refiere que en Musa spp. los cultivares que poseen en su genoma la contribución de M. balbisiana (representado con la letra B), toleran mejor el déficit hídrico que aquellos que solamente tienen la contribución de M. acuminata (representado con la letra A) (Ravi et al., 2013). Sin embargo, la mayoría de estos conocimientos se basan en la respuesta de las plantas en condiciones de campo o in vivo. Se encuentran escasos trabajos que muestran un análisis comparativo entre cultivares de plátanos y bananos con diferente composición genómica, en condiciones in vitro y ante escenarios de estrés hídrico inducido (Vanhove et al., 2012). Investigaciones de este tipo podrían ser de gran utilidad en el momento de establecer un esquema de selección temprana, en el cual deba conocerse, qué respuesta a la sequía manifiestan in vitro aquellos cultivares que se decida emplear como controles de tolerancia y/o sensibilidad.
Teniendo en cuenta lo anterior, en la presente investigación se estudian tres cultivares de Musa spp. con diferente composición genómica: ‘Grande naine’ (AAA), ‘Pelipita’ (ABB) y ‘Manzano’ (AAB). Los dos primeros han sido estudiados en trabajos de este tipo por autores como Moreno-Bermúdez et al. (2014) y Moreno-Bermúdez et al. (2015). Sin embargo, la determinación de una mayor cantidad de variables indicadoras de estrés para cada uno, pudiera contribuir a comprender mejor su respuesta frente al déficit hídrico in vitro. Por otra parte, para el cultivar ‘Manzano’ no han sido informados resultados en esta temática. El presente trabajo tuvo como objetivo determinar la respuesta de los tres cultivares referidos frente al estrés hídrico in vitro inducido con PEG-6000.
MATERIALES Y MÉTODOS
Material vegetal
Se emplearon los cultivares de Musa spp. ‘Grande naine’ (AAA) y ‘Manzano’ (AAB) por poseer un alto valor comercial debido a las propiedades organolépticas de sus frutos. Además, se tuvo en cuenta el cultivar de plátano ‘Pelipita’ (ABB) con el objetivo de estudiar genotipos con un amplio rango de respuesta al estrés hídrico. Se usaron brotes provenientes de plantas in vitro que se encontraban en fase de multiplicación entre el tercer y el quinto subcultivo, propagadas vía organogénesis según el protocolo propuesto por Orellana (1994). Se seleccionaron plantas con tres o más hojas completamente expandidas (Figura 1A), estas fueron cortadas por su parte superior aproximadamente a 1,0 cm de longitud medido desde la base. También se eliminaron del pseudotallo las capas de hojas más externas hasta obtener un explante inicial de aproximadamente 0,5 cm de diámetro y 1,0 cm de altura; luego fueron colocados seis explantes por cada frasco de cultivo (figura 1B).
Figura 1: A: planta in vitro de Musa spp. seleccionada para los experimentos de estrés hídrico. B: brotes in vitro de Musa spp. en el momento de la siembra en medio de cultivo semisólido de multiplicación suplementado con PEG-6000.
Condiciones de cultivo
Medios de cultivo
Se utilizó un medio de cultivo semisólido de multiplicación, compuesto por el 100% de las sales MS (Murashige & Skoog, 1962) (Duchefa, Holanda), tiamina 1,0 mg/L, 6-bencilaminopurina (6-BAP) 4,0 mg/L, ácido indolacético (AIA) 0,65 mg/L, mio-inositol 100 mg/L, ácido cítrico 50 mg/L, sacarosa 30 g/L y Gelrite® (Duchefa, Holanda) 2,8 g/L. Además, como agente inductor del estrés hídrico se adicionó PEG-6000 (Merck, Alemania) a una concentración de 30 g/L, seleccionada a partir de lo informado por Moreno-Bermúdez et al. (2014). El pH del medio de cultivo fue ajustado a 5,8 con NaOH 0,1 M y HCl 0,1 M, y se dosificó en frascos de cultivo de vidrio con capacidad total de 250 mL (30 mL/frasco). Posteriormente los frascos fueron esterilizados en autoclave a 121ºC y 1,2 kg/cm2 de presión durante 20 min según la información técnica de la firma Sigma-Aldrich (2012) (St. Louis City, Missouri, USA).
Los frascos de cultivo con los brotes fueron colocados en una cámara de crecimiento con luz solar con una intensidad de Flujo de Fotones Fotosintéticos entre 48-65 μmol/m/s, un fotoperíodo de 13 horas al día, y una temperatura de 27±2 °C. Los brotes se mantuvieron en estas condiciones durante 30 días.
Determinación de indicadores de estrés hídrico
A los 30 días de cultivo se evaluaron variables morfológicas, fisiológicas y bioquímicas como indicadores de estrés hídrico.
Morfológicos
Se determinó el número de brotes por explante y la altura de la planta (cm) medida con una regla graduada desde la base de cada planta hasta el punto de inserción en el pseudotallo de la hoja más joven completamente expandida.
Fisiológicos
Se determinó la masa fresca (MF) (g) y la masa seca (MS) (g) de las plantas. La primera de estas variables se obtuvo tras pesar las plantas inmediatamente después de extraerlas de los frascos de cultivo. Para determinar la MS las plantas se secaron en la estufa a 60ºC y se pesaron varias veces en el tiempo hasta mantener peso constante.
Bioquímicos
Se evaluaron tres indicadores bioquímicos correspondientes a: contenido de prolina y de H2O2 los cuales se determinaron de acuerdo a lo descrito por Moreno-Bermúdez et al. (2014), y el contenido de malondialdehido (MDA) que se determinó según Wang et al. (2009).
Diseño experimental y procesamiento estadístico
Se tuvieron en cuenta dos tratamientos: plantas in vitro sometidas a estrés y plantas in vitro no sometidas a estrés hídrico con PEG-6000. De cada tratamiento, para cada cultivar estudiado, se tuvieron en cuenta 12 réplicas; cada una estuvo conformada por un frasco de cultivo con seis plantas in vitro.
Para la determinación de las variables morfológicas y la MF se evaluaron 72 plantas, mientras que para la MS se evaluaron 24 plantas de cada cultivar para cada tratamiento respectivamente. Para determinar las variables bioquímicas fueron empleadas como material vegetal las plantas in vitro completas de ocho réplicas de cada cultivar para cada tratamiento. Las seis plantas de cada réplica se pulverizaron juntas en nitrógeno líquido y se almacenaron a -80ºC, para posteriormente tomar la cantidad necesaria para hacer las determinaciones. Estas se realizaron por espectrofotometría, con el uso de un espectrofotómetro GENESYS 6 (Thermo Electron Corporation (USA); Visionlite; Versión 2,1). Las determinaciones de los indicadores bioquímicos, para cada una de las réplicas de cada cultivar y tratamiento fueron realizadas tres veces.
Para el análisis estadístico se empleó el programa SPSS (Statistical Package for Social Sciences) ver. 18,0 para Windows. Para el procesamiento de los resultados se comprobaron los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas por las pruebas de Shapiro-Wilk y Levene respectivamente. Debido a que los datos no cumplieron con estos supuestos, para buscar diferencias entre los tratamientos se realizó la prueba no paramétrica de Mann-Whitney para un intervalo de confianza del 95% (p <0,05). Las comparaciones para cada variable fueron realizadas entre ambos tratamientos para un mismo cultivar.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Determinación de indicadores de estrés hídrico
Morfológicos
Se observó una disminución en la altura de las plantas de los tres cultivares estudiados sometidas a estrés hídrico con PEG-6000, cuando se compararon con las plantas no sometidas a estrés (figura 2). Estas diferencias comenzaron a notarse a partir de los 15 días de cultivo, y fueron significativas al finalizar el experimento a los 30 días (figura 3A). Por otro lado, el número de brotes por explante también disminuyó significativamente para el cultivar ‘Manzano’ en las plantas tratadas con PEG-6000 cuando se realiza la misma comparación (figura 3B).
Figura 2: Plantas in vitro de diferentes cultivares de Musa spp. no sometidas a estrés (a) y sometidas a estrés hídrico (b) inducido con PEG-6000 a los 30 días de cultivo. Pel y Mz: cultivares de plátano ‘Pelipita’ (ABB) y ‘Manzano’ (AAB) respectivamente, Gn: cultivar de banano ‘Grande naine’ (AAA).
Figura 3: Efecto del estrés hídrico inducido con PEG-6000 sobre la altura (A) y número de brotes por explante (B) de plantas in vitro de diferentes cultivares de Musa spp. a los 30 días de cultivo. Pel y Mz: cultivares de plátano ‘Pelipita’ (ABB) y ‘Manzano’ (AAB) respectivamente, Gn: cultivar de banano ‘Grande naine’ (AAA). Letras no comunes sobre barras indican diferencias significativas entre ambos tratamientos para un mismo cultivar según prueba de Mann-Whitney para p<0,05. (n=72).
Tanto la altura como el número de brotes por explante son variables que se relacionan con el crecimiento vegetal. Jaleel et al. (2009))plantean que el crecimiento es uno de los procesos que se ven afectados en las plantas a causa del estrés abiótico. Por otro lado, Surendar et al. (2013b) refieren que la altura de la planta es un importante indicador morfológico relacionado con el crecimiento y desarrollo de los cultivos, procesos que envuelven a su vez el crecimiento y desarrollo celular. Estos últimos consisten en la división, alargamiento y diferenciación de las células, y son muy sensibles al déficit hídrico por su dependencia con el grado de turgencia de las mismas (Wareing y Phillips, 1970).
De acuerdo con los criterios anteriores la disminución en la altura de las plantas para los tres cultivares estudiados, podría constituir una evidencia de su sensibilidad al déficit hídrico impuesto. Sin embargo, también se plantea que como consecuencia de la falta de agua, las plantas limitan su crecimiento para evitar o tolerar la deshidratación, lo cual constituye un mecanismo de defensa ante el estrés (Valladares et al., 2004).
Por otra parte, la disminución en el número de brotes por el efecto del PEG-6000 significativa solo para el cultivar ‘Manzano’ podría ser indicativo de una mayor sensibilidad por parte de este a un déficit de agua. Esta respuesta pudiera deberse a su composición genómica, ya que a pesar de poseer la contribución de la especie M. balbisiana, Ravi et al. (2013) lo clasifican como sensible al estrés hídrico.
Una disminución en diferentes caracteres morfológicos de plantas de Musa spp. sometidas a estrés hídrico, también ha sido informada por otros autores, por ejemplo, Moreno-Bermúdez et al. (2014) en el cultivar ‘Grande naine’, Bidabadi et al. (2012) y Mahmood et al. (2012) en el cultivar ‘Berangan’ (AAA) sometido a estrés hídrico in vitro con PEG-6000. En cultivares de plátano con genotipo B, que como se mencionó con anterioridad se les atribuye una mejor tolerancia a la sequía, solo se han encontrado respuestas semejantes para las variables morfológicas aquí evaluadas, en condiciones ex vitro. Ejemplos de lo anterior son los estudios realizados por Ismail et al. (2004) en el cultivar ‘Pisang mas’ (ABB), y Surendar et al. (2013b) en los cultivares ‘Ney Poovan’ (AB), ‘Poovan’ (AAB), ‘Karpuravalli’ (ABB) y ‘Saba’ (ABB).
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el presente trabajo para las variables morfológicas evaluadas, sería necesario el análisis de otras variables para llegar a una mejor conclusión sobre el grado de tolerancia o sensibilidad de los cultivares estudiados al estrés hídrico in vitro.
Fisiológicos
La MF no varió de manera significativa a causa del estrés en el cultivar ‘Pelipita’, sin embargo en el ‘Manzano’ y el ‘Grande naine’ se observó una reducción significativa en aquellas plantas crecidas en presencia del PEG-600, en comparación con las que crecieron en condiciones normales (Figura 4A). Por otra parte, la MS disminuyó significativamente solo para las plantas sometidas a estrés del cultivar ‘Grande naine’ (figura 4B).
La MF y la MS son variables que tienen implícito el factor biomasa, una disminución de estas puede indicar una menor cantidad de biomasa. La MF además, incluye la cantidad de agua en los tejidos de la planta, por lo que una disminución de la misma también refleja la dificultad de las plantas para estar hidratadas (Rodríguez & Leihner, 2006).
Figura 4: Efecto del estrés hídrico inducido con PEG-6000 sobre la masa fresca (A) y la masa seca (B) de plantas in vitro de diferentes cultivares de Musa spp. a los 30 días de cultivo. Pel y Mz: cultivares de plátano ‘Pelipita’ (ABB) y ‘Manzano’ (AAB) respectivamente, Gn: cultivar de banano ‘Grande naine’ (AAA). Letras no comunes sobre barras indican diferencias significativas entre ambos tratamientos para un mismo cultivar según prueba de Mann-Whitney para p<0,05. (A: n=72, B: n=24).
Teniendo en cuenta lo anterior, la afectación de la MF en las plantas de ‘Manzano’ y ‘Grande naine’ sometidas a estrés, sugiere una sensibilidad por parte de estos cultivares al déficit hídrico in vitro, por la dificultad para producir biomasa. Si se tiene en cuenta que en el cultivar ‘Grande naine’ también se afectó de manera negativa la MS, pudiera asumirse que la sensibilidad fue mayor que en el ‘Manzano’. Por otro lado, el hecho de que para el cultivar ‘Pelipita’ ninguna de estas dos variables se haya modificado de manera significativa por el estrés (figura 4A y B), pudiera indicar que las plantas tratadas con el PEG-6000 fueron capaces de tolerarlo.
Los resultados de este acápite concuerdan con lo informado por Ravi et al. (2013), quienes clasifican al ‘Manzano’ y al ‘Grande naine’ susceptible y altamente susceptible al déficit hídrico respectivamente. Por otra parte, también en el trabajo referido se clasifica al grupo genómico ABB, al cual pertenece el ‘Pelipita’, como tolerante al factor abiótico evaluado. Estos autores basan su clasificación en observaciones realizadas en el ambiente ex vitro. Los resultados del presente trabajo muestran que en condiciones in vitro, los cultivares evaluados responden de manera similar. Adicionalmente, Moreno-Bermúdez et al. (2015), le confieren al cultivar ‘Pelipita’ tolerancia al estrés hídrico, tras evaluar la variable fisiológica “contenido de agua” en condiciones in vitro.
Por otro lado, Placide et al. (2012), obtuvieron resultados similares a los del presente trabajo en las variables MF y MS, tras evaluar la respuesta de diferentes cultivares de Musa spp. al estrés hídrico in vitro. Estos autores estudiaron los cultivares ‘Lep Chang’ (BBB), ‘Cachaco’ (ABB), ‘Popoulou’ (AAB), ‘Obino l´Ewai’ (AAB), ‘Williams’ (AAA), y ‘Mbwazirume’ (AAA). Los resultados mostraron que los cultivares en los cuales ambas variables fisiológicas se afectaron en menor medida, fueron los de mayor contribución de M. balbisiana (‘Cachaco’ y ‘Lep Chang’), por el contrario, el más afectado fue el ‘Mbwazirume’, y en el resto la afectación de estas y otras variables fue intermedia. De igual manera Bidabadi et al. (2012) y Mahmood et al. (2012) observaron una reducción de la MF en plantas de ‘Berangan’ sometidas a estrés hídrico con 30 g/L PEG-6000 como en el presente estudio.
Bioquímicos
Contenido de Malondialdehido (MDA)
Se observó un aumento significativo del contenido de MDA en las plantas sometidas a estrés de los cultivares ‘Manzano’ y ‘Grande naine’ cuando se comparan con las plantas no tratadas con PEG-6000 respectivamente. Para el cultivar ‘Pelipita’ no se observaron diferencias significativas en el contenido de este indicador entre plantas de ambos tratamientos (figura 5A).
Figura 5: Efecto del estrés hídrico inducido con PEG-6000 en el contenido de malondialdehido (MDA) (A) y peróxido de hidrógeno (H2O2) (B) de plantas in vitro de diferentes cultivares de Musa spp. a los 30 días de cultivo. Pel y Mz: cultivares de plátano ‘Pelipita’ (ABB) y ‘Manzano’ (AAB) respectivamente, Gn: cultivar de banano ‘Grande naine’ (AAA). Letras no comunes sobre barras indican diferencias significativas entre ambos tratamientos para un mismo cultivar según prueba de Mann-Whitney para p<0,05. (n=24).
El MDA es un indicador de daños celulares causados por estrés oxidativo, este es el producto final de la peroxidación lipídica, proceso que hace referencia a la degradación oxidativa de los lípidos tras sucesivas reacciones en cadena, ocasionadas por los radicales libres generados ante situaciones de estrés. Este proceso afecta el complejo de membranas de la célula, por lo que puede incidir de manera negativa en procesos celulares tales como la respiración (cuando afecta las membranas mitocondriales) y la fotosíntesis (cuando afecta las membranas de los tilacoides en los cloroplastos) (Mahouachi et al., 2005). Por tanto, aquellas plantas sometidas a estrés en las que no se observa un incremento en los niveles de MDA, presentan una mayor capacidad para tolerar tal condición.
De acuerdo con las explicaciones anteriores, los resultados presentados en la figura 5A sugieren que se produjo una afectación a las membranas celulares de las plantas sometidas a estrés tanto para el cultivar ‘Manzano’ como para el ‘Grande naine’. En cambio, el resultado obtenido para el cultivar ‘Pelipita’ sugiere que no se produjeron tales daños producto del déficit hídrico. Estos resultados pueden relacionarse entonces con una tolerancia del ‘Pelipita’ y una sensibilidad del ‘Manzano’ y el ‘Grande naine’ al factor abiótico estudiado bajo las condiciones evaluadas.
Otros estudios como este en Musa spp. también han informado la presencia de daños a nivel de membranas celulares producto de un estrés hídrico in vitro. Por ejemplo, Moreno-Bermúdez et al. (2014), en el cultivar de banano ‘Grande naine’, Shekhawat & Ganapathi (2014) y Tak et al. (2017), en el cultivar de plátano ‘Rasthali’ (AAB) y Chai et al. (2005), y Rustagi et al. (2015), en los cultivares de banano ‘Berangan’ y ‘Matti’ (AA) respectivamente. En todos estos casos se relacionó el aumento en los contenidos de MDA con una sensibilidad al estrés, y aquellas plantas cuyos valores de MDA no se incrementaron de manera significativa fueron consideradas más tolerantes.
Contenido de peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 )
Se observó un incremento significativo del contenido de H2O2 en las plantas sometidas a estrés de los cultivares ‘Manzano’ y ‘Grande naine’ cuando se comparan con las plantas no tratadas con PEG-6000. En las plantas del cultivar ‘Pelipita’ no se observaron diferencias significativas cuando se comparan ambos tratamientos. (Figura 5B).
El H2O2 está considerado como una especie reactiva del oxígeno (ERO) conjuntamente con el anión superóxido (O2 •-), el radical hidroxilo (OH•) y el oxígeno en estado de singlete (1O2) (Puthur, 2016). En condiciones normales las células vegetales producen ERO continuamente como subproductos de varias rutas metabólicas localizadas en diferentes compartimentos celulares (cloroplastos, mitocondrias y microcuerpos), pero a un nivel bajo en el que son rápidamente eliminadas por los diferentes sistemas antioxidantes y no provocan daño celular (Tadeo & Gómez-Cárdenas, 2008). En condiciones de estrés la producción de este tipo de compuestos se eleva drásticamente y daña diferentes biomoléculas estructurales de la célula como el ADN, las proteínas y a los lípidos de las membranas a través de la peroxidación lipídica (Rai et al., 2011).
Teniendo en cuenta lo anterior, el incremento significativo en el contenido de H2O2, observado en los cultivares ‘Manzano’ y ‘Grande naine’ producto del déficit hídrico, sugiere un mayor estrés oxidativo que pudo resultar en un mayor daño a las membranas celulares. Esto último lo corrobora el incremento en el contenido de MDA discutido con anterioridad, significativo también para estos dos cultivares (figura 5A). Estos resultados, por tanto, demuestran la sensibilidad del ‘Manzano’ y ‘Grande naine’ al estrés ocasionado por el PEG-6000. Por otra parte la respuesta observada para el cultivar ‘Pelipita’ en el contenido de H2O2, de igual manera que para los indicadores anteriores donde no se observó variación significativa entre ambos tratamientos, pudo deberse a la tolerancia de este cultivar a las condiciones de estrés osmótico a las que fue sometido.
Aumentos en el contenido de H2O2 en plantas de Musa spp. sometidas a estrés hídrico in vitro han sido también observados por varios autores, por ejemplo, Shekhawat et al. (2011), en el cultivar de plátano y ‘Rasthali’ y Bidabadi et al. (2012) en banano cv. ‘Berangan’. En todos estos estudios, como en el presente, los incrementos en el contenido de H2O2 estuvieron acompañados de incrementos en los contenidos de MDA, y ambos se han relacionado con una sensibilidad de las plantas a la falta de agua.
Contenido de prolina
Se observó un incremento significativo del contenido de prolina en las plantas sometidas a estrés, comparadas con aquellas crecidas en ausencia de PEG-6000 para los cultivares ‘Grande naine’ y ‘Manzano’. En el cultivar ‘Pelipita’ se observó una tendencia al aumento de este indicador debido al déficit hídrico, sin embargo no hubo diferencias significativas entre ambos tratamientos. (Figura 6).
Figura 6: Efecto del estrés hídrico inducido con PEG-6000 en el contenido de prolina de plantas in vitro de diferentes cultivares de Musa spp. a los 30 días de cultivo. Pel y Mz: cultivares de plátano ‘Pelipita’ (ABB) y ‘Manzano’ (AAB) respectivamente, Gn: cultivar de banano ‘Grande naine’ (AAA). Letras no comunes sobre barras indican diferencias significativas entre ambos tratamientos para un mismo cultivar según prueba de Mann-Whitney para p<0,05. (n=24).
La respuesta en el contenido de este aminoácido fue similar a la observada para el resto de los indicadores bioquímicos en los tres cultivares. Los incrementos de H2O2 y MDA en el ‘Grande naine’ y el ‘Manzano’ demostraron un mayor daño por estrés oxidativo y a las membranas celulares respectivamente. Lo anterior fue interpretado como una muestra de su sensibilidad al estrés por sequía. Por tanto, pudiera decirse que los incrementos de prolina, significativos también solo para estos dos cultivares, se relacionan en estos casos con la sensibilidad al déficit de agua.
Incrementos en el contenido de prolina pueden ocurrir debido a la hidrólisis de las proteínas bajo condiciones de estrés hídrico (Kramer & Boyer, 1983). Por otro lado, como se mencionó con anterioridad, las proteínas son biomoléculas que pueden resultar dañadas ante un déficit de agua por la acción de ERO como el H2O2 (Rai et al., 2011). Teniendo en cuenta estos criterios, en el presente estudio los incrementos de la concentración de H2O2 pudieron ocasionar un daño a las proteínas, lo cual pudo provocar su hidrólisis, y como consecuencia, ocurrir el aumento en el contenido de prolina libre. lo anterior explicaría la respuesta observada para esta variable. Parra corroborar lo anteriormente argumentado se pudiera tener en cuenta en futuros experimentos la determinación del contenido de proteínas totales, usada también como indicador de tolerancia o sensibilidad a estrés hídrico por autores como Surendar et al. (2013a).
Otra explicación a lo observado para el contenido de prolina en los cultivares ‘Grande naine’ y ‘Manzano’, podría ser que el aminoácido haya tenido que incrementarse, como una necesidad para contrarrestar el déficit de agua al que estaban sometidos. Según Tadeo y Gómez-Cárdenas (2008), esta molécula es un compuesto osmoprotector y un soluto compatible con el funcionamiento celular con la función de conferir estabilidad estructural a las membranas. También se le atribuyen funciones como la captura de ERO y el mantenimiento del potencial redox celular (Hare et al., 1998; Peleg y Blumwald, 2011). No obstante, a pesar del incremento de prolina probablemente como un mecanismo de defensa ante el estrés osmótico, los niveles de H2O2 y MDA se mantuvieron elevados. Esto demuestra que en el ‘Grande naine’ y el ‘Manzano’ la condición impuesta no pudo ser contrarrestada, y corrobora su sensibilidad.
En el cultivar ‘Pelipita’ no se observaron diferencias significativas para este indicador entre ambos tratamientos. Esta misma respuesta para el contenido de H2O2 y MDA fue interpretada como una prueba de la tolerancia de este cultivar al estrés al que fue sometido. De acuerdo con lo anterior, el resultado obtenido para el contenido de prolina en este caso, se pudiera relacionar con una manifestación de tolerancia al estrés hídrico. Es posible que en el ‘Pelipita’ no existiera la necesidad de incrementar los niveles de prolina de manera significativa, por su capacidad para soportar el déficit de agua a la concentración de PEG-6000 utilizada. Este resultado concuerda con lo informado por Tsoata et al. (2015), quienes demostraron que bajos contenidos de prolina son indicadores de una mejor tolerancia al estrés por sequía.
En Musa spp. la determinación del contenido de prolina ha sido útil para identificar plantas tolerantes al déficit hídrico (Mahmood et al., 2012; Sreedharan et al., 2013). En estos estudios se han relacionado los incrementos de este aminoácido con una tolerancia al estrés, contrario a lo observado en el presente trabajo. Sin embargo, el rol de la prolina ante un déficit hídrico es una cuestión controversial, ya que existen criterios diversos y no se ha llegado a un consenso en este sentido. (Reyes et al., 2012; Florido & Bao, 2014). Algunos autores asocian los incrementos con una tolerancia al estrés (Llano & Alcaraz, 2012; Lum et al., 2014) y otros con una sensibilidad (Lamz et al., 2013).
Los resultados de la presente investigación comprueban la relación que existe entre las respuestas de las plantas en condiciones in vitro e in vivo. Lo anterior lo corrobora el hecho de que los genotipos de Musa spp. estudiados en este trabajo, respondieron de manera similar a como se ha referido en la literatura científica, responden en condiciones naturales (Ravi et al., 2013).
Por otra parte, la determinación de una mayor cantidad de variables indicadoras de estrés hídrico para los cultivares ‘Grande naine’ y ‘Pelipita’ en este trabajo, con respecto a trabajos previos (Moreno-Bermúdez et al., 2014, Moreno-Bermúdez et al., 2015), contribuye a comprender mejor su respuesta al déficit de agua en condiciones in vitro. Los resultados obtenidos para el ‘Manzano’, además, constituyen los primeros informes para este último cultivar en la temática abordada.
CONCLUSIONES
El cultivar de plátano ‘Manzano’ y el de banano ‘Grande naine’, mostraron sensibilidad a las condiciones de estrés impuestas, al verse afectadas en ellos de manera negativa la mayoría de las variables evaluadas. El cultivar de plátano ‘Pelipita’ toleró el déficit hídrico al que fue sometido en el presente estudio, ya que solamente se afectó en este caso la variable altura de la planta. Por la respuesta mostrada estos tres cultivares pudieran ser empleados como controles de referencia para la selección in vitro de plantas de Musa spp. tolerantes a la sequía, unido a la determinación de las variables masa fresca, masa seca, contenido de malondialdehido, peróxido de hidrógeno y prolina como indicadores de estrés.
REFERENCIAS BILIOGRÁFICAS
Referencias
Bakry, F., Carreel, F., Jenny, C., & Horry, J.P. (2009) Genetic Improvement of Banana. En: Jain, S.M., & Priyadarshan, P.M. (Editores) Breeding plantation tree crops: tropical species. Berlin, Springer. 3-51.
Bates, L.S. (1973) Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and Soil, 39, 205-207.
Bidabadi, S.S., Mahmood, M., Baninasab, B., & Ghobadi, C. (2012) Influence of salicylic acid on morphological and physiological responses of banana (Musa acuminata cv. ‘Berangan’, AAA) shoot tips to in vitro water stress induced by polyethylene glycol. Plant Omics Journal, 5(1), 33-39.
Chai, T.T., Fadzillah, N.M., Kusnan, M., & Mahmood, M. (2005) Water stress-induced oxidative damage and antioxidant response in micropropagated banana plantlets. Biología Plantarum, 49(1), 153-156.
FAOSTAT (2016) Food and Agriculture Organization of United Nations. Recuperado: Septiembre 23 de 2016 en: http://faostat.fao.org.
Feng, D.R., Liu, B., Li, W.Y., He, Y.M., Qi, K.B., Wang, H.B., & Wang, J.F. (2009) Overexpression of a cold-induced plasma membrane protein gene (MpRCI) from plantain enhances low temperature resistance in transgenic tobacco. Environmental and Experimental Botany, 65, 395-402.
Florido, B.M., & Bao F.L. (2014) Tolerancia a estrés por déficit hídrico en tomate (Solanum lycopersicum L.). Cultivos Tropicales, 35(3), 70-88.
Hare, P., Cress, W., & Van Staden, J. (1998) Dissecting the roles of osmolyte accumulation during stress. Plant Cell and Enviroment, 21, 535-553.
Jaleel, C.A., Riadh, K., Gopi, R., Manivannan, P., Ines, J., Al-Juburi, H.J., Chang-Xing, Hong-Bo, Z.S., & Panneerselvam, R. (2009) Antioxidant defense responses: physiological plasticity in higher plants under abiotic constraints. Acta Physiologiae Plantarum, 31(3), 427-436.
Mahmood, M., Bidabadi, S.S., Ghobadi, C., & Gray, D.J. (2012) Effects of methyl jasmonate treatment on alleviation of polyethylene glycol-mediated water stress in banana (Musa acuminata cv. ´Berangan´, AAA) shoot tip cultures. Plant Growth Regulation, 68, 161-169.
Mahouachi, J., Gómez-Cádenas, A., Primo-Millo, E., & Talón, M. (2005) Antagonistic Changes between Abscisic Acid and Gibberellins in Citrus Fruits Subjected to a Series of Different Water Conditions. Journal of Plant Growth Regulation, 24, 179-187.
Mohamed, M.A.H., Harris. P.J.C., & Henderson, J. (2000) In vitro selection and characterisation of a drought tolerant clone of Tagetes minuta. Plant Science, 159, 213-222.
Mohd, R.I., Yusoff, M.K., & Mahmood, M. (2004) Growth, water relations, stomatal conductance and proline concentration in water stressed banana (Musa spp.) plants. Asian Journal of Plant Sciences, 3(6), 709-713.
Moreno, L., Crespo, S., Pérez, W., & Melgarejo, L.M. (2010) Pruebas bioquímicas como herramientas para estudios en fisiología. En: Melgarejo, L.M. (Editor) Experimentos en fisiología vegetal-Colombia, Universidad Nacional de Colombia. 187-248.
Murashige, T., & Skoog, F. (1962) A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarun, 15(3), 473-497.
Orellana, P.P. (1998). Propagación vía organogénesis. En: Pérez, J.N. (Editor). Propagación y mejora genética de plantas por Biotecnología-Santa Clara, IBP. 151-177.
Paleg, Z., & Blumwald, E. (2011) Hormone balance and abiotic stress tolerance in crop plants. Current Opinion In Plant Biology, 14(3), 290-295.
Placide, R., Carpentier, S.C., & Rony Swennen (2012) Development of in vitro technique to screen for drught tolerant banana varieties by sorbitol induced osmotic stress. African Journal of Plant Science, 6(15), 416-425.
Puthur, J.T. (2016) Antioxidants and cellular antioxidation mechanism in plants. South indian Journal Of Biological Sciences, 2(1), 14-17.
Rai, M.K., Kalia, R.K., Singh, R., Gangola, M.P., & Dhawan, A.K. (2010) Developing stress tolerant plants through in vitro selection. An overview of the recent progress. Environmental and Experimental Botany, 71(1), 89-98.
Ramírez-Villalobos, M., de García, E., & Lindorf, H. (2012) Análisis de patrones morfológicos y anatómicos en la embriogénesis somática del banano Williams (AAA). Revista Colombiana de Biotecnología, 14(1), 41-52.
Ravi, I., Uma, S., Vaganan, M.M., & Mustaffa, M.M. (2013) Phenotyping bananas for drought resistance. Frontiers in Physiology, 4, 1-14.
Robinson, J.C., & Saúco, V.G. (2010). Bananas and Plantains. Segunda Edición - Wallingford/Oxon, UK. CABI. 299p.
Rodríguez, W., & Leihner, D. (2006) Análisis del crecimiento vegetal - Costa Rica, Editorial Universidad de Costa Rica. 37p.
Rustagi, A., Jain, S., Kumar, D., Shekhar, S., Jain, M., & Bhalla, N.S. (2015) High efficiency transformation of banana [Musa acuminata L. cv. Matti (AA)] for enhanced tolerance to salt and drought stress through overexpression of a peanut salinity-induced pathogenesis-related class 10 protein. Molecular Biotechnology, 57(1), 27-35.
Salazar, E., Trujillo, I., Pérez, M.M., Gutiérrez, M.A., Castro, L., Vallejo, E., & Torrealba, M. (2014) Respuesta fisiológica al estrés hídrico de plantas de banano cv. ‘Pineo gigante’ (Musa AAA) regeneradas a partir de yemas irradiadas. Biotecnología Vegetal, 14(3), 155-162.
Shekhawat, U.K.S., Ganapathi, T.R., & Srinivas, L. (2011) MusaDHN-1, a novel multiple stress inducible SK3-type dehydrin gene, contributes affirmatively to drought and salt stress tolerance in banana. Planta, 234, 915-932.
Shekhawat, U, K Surendar, TR Ganapathi (2014) Transgenic banana plants overexpressing MusabZIP53 display severe growth retardation with enhanced sucrose and polyphenol oxidase activity. Plant Cell Tissue and Organ Culture, 116(3), 387-402.
Sigma-Aldrich (2012) En: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma. recuperado: 29 de Enero de 2015.
Sreedharan, S., Shekhawat, U.K.S., & Ganapathi, T.R. (2013) Transgenic banana plants overespressing a native plasma membrane aquaporin MusaPIP1;2 display high tolerance levels to different abiotic stresses. Plant Biotechnology, 11, 942-952.
Surendar, K.K., Devi, D.D., Ravi, I., Jeyakumar, P., Kumar, S.R., & Velayudham, K. (2013) Studies on the Impact of Water Deficit on Plant Height, Relative Water Content, Total Chlorophyll, Osmotic Potential and Yield of Banana (Musa spp.,) Cultivars and Hybrids. International Journal of Horticulture, 3(11), 52-60.
Tadeo, F.R., & Gómez-Cárdenas, A. (2008) Fisiología de las plantas y el estrés. En: Azcón-Bieto, J., & Talón M. (Editores). Fundamentos de fisiología vegetal-Madrid, McGRAWHILL INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S.A.U. 577-596.
Tak, H., Negi, S., & Ganapathi, T.R. (2016) Banana NAC transcription factor MusaNAC042 is positively associated with drought and salinity tolerance. Protoplasma, 1-14.
Thomas, D.S., Turner, D., & Eamus, D. (1998). Independent effects of the environment on the leaf gas exchange of three banana (Musa spp.) cultivars of different genomic constitution. Science Horticulture, 75, 41–57.
Valladares, F., Vilagrosa, A., Peñuela, J.S., Ogaya, R., Camarero, J.J., Corcuera, L., Sisó, S., & Gil-Pelegrín, E. (2004) Estrés hídrico: ecofisiología y escalas de la sequía. En: Valladares, F. (Editor) Ecología del bosque mediterráneo en un mundo cambiante- Madrid, Ministerio de Medio Ambiente, EGRAF, S. A. 163-190.
Vanhove, A.C., Vermaelen, W., Pains, B., Swennen, R., & Carpentier, S.C. (2012) Screening the banana biodiversity for drought tolerance: can an in vitro growth model and proteomics be used as a tool to discover tolerant varieties and understand homeostasis. Frontiers in Plant Science, 3, 1-10.
Velikova, V. & Loreto, F. (2005) On the relationship between isoprene emission and thermo tolerance in Phragmites ausrralis leaves exposed to high temperatures and during the recovery from a heat stress. Plant Cell and Environment, 28, 318-327.
Wang, F., Zeng, B., Sun, Z., & Zhu, C. (2009) Relationship between proline and Hg+2-induced oxidative stress in tolerant rice mutant. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 56(4), 723–731.
Wareing, P.F., & Phillips I.D.J. (1970) The control and development in plants-Oxford, Pergamon Press. 1-21.
Cómo citar
APA
ACM
ACS
ABNT
Chicago
Harvard
IEEE
MLA
Turabian
Vancouver
Descargar cita
CrossRef Cited-by
1. Jaime Abelardo Ceja-López, Javier Morales-Morales, Jorge Araujo-Sánchez, Wilma González Kantún, Angela Ku, María de Lourdes Miranda-Ham, Luis Carlos Rodriguez-Zapata, Enrique Castaño. (2022). Evaluation of Natural Pigments Production in Response to Various Stress Signals in Cell Lines of Stenocereus queretaroensis. Plants, 11(21), p.2948. https://doi.org/10.3390/plants11212948.
2. Alma Laura Ramos-Castellá, Lourdes Georgina Iglesias-Andreu, María de Lourdes Palafox-Chávez. (2024). In vitro response of gamma irradiated Vanilla planifolia jacks. Shoots in the face of water stress. Vegetos, https://doi.org/10.1007/s42535-024-00850-2.
3. Ivan Dario Loaiza Campiño, Neftalí Mesa López, Andrés Mauricio Villegas Hiencapié. (2020). Selection of somaclonal variants of maracuyá (passiflora Edulis var Flavicarpa. Deneger) tolerants to water deficit. Revista Colombiana de Biotecnología, 22(2), p.44. https://doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v22n2.79623.
Dimensions
PlumX
Visitas a la página del resumen del artículo
Descargas
Licencia
Derechos de autor 2017 Revista Colombiana de Biotecnología
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Esta es una revista de acceso abierto distribuida bajo los términos de la Licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional (CC BY). Se permite el uso, distribución o reproducción en otros medios, siempre que se citen el autor(es) original y la revista, de conformidad con la práctica académica aceptada. El uso, distribución o reproducción está permitido desde que cumpla con estos términos.
Todo artículo sometido a la Revista debe estar acompañado de la carta de originalidad. DESCARGAR AQUI (español) (inglés).
