Analysis of the productive structure and yield behavior of four rice varieties (Oryza sativa L.) from different origins in Ibaraki prefecture, Japan
M.Sc. Sandra H. Díaz Solís,I M.Sc. Elizabeth Cristo Valdés,I M.Sc. Rogelio Morejón Rivera,I M.Sc. Rodolfo Castro Álvarez,II M.Sc. Masaaki Shiraishi,III Dr.C. Madduma P. Dhanapala,III Arai KeisukeIII
IInvestigadores Auxiliares de la Unidad Científico Tecnológica de Base Los Palacios, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, gaveta postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32 700.
IIInvestigador Agregado de la Unidad Científico Tecnológica de Base Los Palacios, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, gaveta postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32 700.
IIIAsesores Técnicos, Japan Internacional Cooperation Agency. Tsukuba Internacional Center Koyadai 3-6, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, Japón.
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RESUMEN
El estudio se desarrolló en la Parcela Experimental de Investigación (RE1) del Centro Internacional de Tsukuba (TBIC) ubicado en la Prefectura de Ibaraki, Japón, con el objetivo de analizar la estructura productiva y el rendimiento de cuatro variedades de arroz de diferentes orígenes. Los tratamientos corresponden a las variedades J-104, Bluebonnet-50, Suweon-294 y Nipponbare. Se determinó el contenido de materia seca y la intensidad luminosa, además se evaluó el rendimiento y sus componentes y se analizó la relación existente entre el rendimiento y la intensidad luminosa. Se utilizó un análisis de varianza de clasificación simple y la prueba de Rangos Múltiples de Duncan. Los resultados revelaron la existencia de diferencias significativas entre los tratamientos y la variedad índica-japónica Suweon-294 tuvo el mejor comportamiento en el análisis de la estructura productiva, mientras que la variedad índica J-104 alcanzó los mayores rendimientos. La regresión entre las variables estudiadas indica una relación directa.
Palabras clave: Oryza sativa, variedades, arroz, rendimiento, radiación solar.
ABSTRACT
The study was carried out at the Research Experimental Plot (RE1) from Tsukuba International Center (TBIC) located in Ibaraki Prefecture, Japan, with the objective of analyzing the productive structure and yield of four rice (Oryza sativa L.) varieties of different origin. Treatments correspond to J-104, Bluebonnet-50, Suweon-294 and Nipponbare varieties. Dry matter content and light intensity were determined, also yield and its components were evaluated and the relationship existing between yield and light intensity was analyzed. A Single Classification Variance Analysis and Duncan’s Multiple Range Test were used. Results showed differences between treatments and the indica-japonica variety Suweon-294 presented the best behaviour in the productive structure analysis, while the indica variety J-104 reached the highest yields. The regression between studied variables indicates a direct relationship.
Key words: Oryza sativa, varieties, rice, yield, sunlight.
INTRODUCCIÓN
]]> El arroz (Oryza sativa L.) es uno de los cereales más utilizados en la alimentación del ser humano y proporciona más calorías por hectárea que cualquier otro cultivo de cereales. El 75 % de la población mundial lo incluye en su dieta alimentaria diaria y puede superar, en algunos casos, el consumo de otros cereales como el maíz y el trigo (1). En Cuba es un plato indispensable en la mesa, con un consumo per cápita anual de más de 65 kg; sin embargo, se produce solo el 40 % del arroz que necesita el país para el autoabastecimiento (2).]]> MATERIALES Y MÉTODOS
Selección y desinfección de semillas
La semilla utilizada fue seleccionada a través del método de solución salina con peso específico de 1.13 g/cm3 y la desinfección se realizó usando Healthead con una dosis de 2,5 g diluidos en 500 mL de agua. Las semillas se introdujeron en la solución de agua salina, y fueron eliminadas las semillas que emergieron a la superficie y se utilizaron solo las que quedaron en el fondo del recipiente las cuales poseían el peso específico requerido. Posteriormente las semillas seleccionadas se lavaron con agua y fueron colocadas en solución de desinfección durante 24 horas. Las semillas fueron colocadas en un pregerminador a 250C durante 72 horas, hasta alcanzar una temperatura acumulada de 1000C necesaria para la germinación del arroz3. Después fueron puestas a secar a temperatura ambiente sobre papel gaceta en una superficie plana evitando la acumulación de agua.
Condiciones de cultivo ]]>
La siembra se realizó el día 18 de abril de 2006 en bandejas de 15,5 cm de largo x 6 cm de ancho y una profundidad de 10 cm, colocándose 50 semillas por bandeja, incubándose a temperatura de 300C durante 48 horas. Posteriormente se trasladaron al invernadero donde fueron mantenidas a temperatura ambiente con riegos diarios (350 m3/ha).
Después de cosechar la cebada (Hordeum distichum) que se encontraba como cultivo de rotación en la parcela se inició la preparación de suelo y el 15 de mayo se fertilizó a razón de 8 kg de N, 8 kg de P2O5 y 8 kg de K2O empleando para ello los fertilizantes Hyper Coat 424 de liberación lenta (LPS) y Formulación NPK 14-12-14 con una duración de 120 días y Super Fosfato Triple. Se fangueó utilizando un motocultor con rotobator (KUBOTA T 702) y se niveló con la ayuda de un nivelador manual.
El 16 de mayo, antes de llevar las plantas al campo para ser trasplantadas, se aplicó a cada bandeja 50 g de funguicida Greatam, inmediatamente después se trasplantó, colocando tres plantas por nido o sitio con una distancia de siembra de 30 x 15 cm en parcelas de 12 m2, distribuidas según un diseño completamente aleatorizado con cuatro repeticiones por variedades.
El diseño utilizado en campo para el montaje del experimento se muestra en la Figura 1.
Además, cuando cada variedad alcanzó el estado de madurez óptimo se evaluaron el rendimiento y sus componentes. El rendimiento se determinó al 14 % de humedad del grano en un área de 4 m2 (una vez por parcela) y para el resto de los componentes se tomaron en cada parcela 20 panículas al azar (9,10).
La información obtenida se procesó mediante Análisis de Varianza (ANOVA) de Clasificación Simple para efectos fijos y se docimaron las medias por Pruebas de Rangos Múltiples de Duncan. Se realizaron también análisis de regresión entre el rendimiento y la intensidad luminosa.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ]]>
Las Figuras 2 (A, B) muestran la estructura productiva de las cuatro variedades evaluadas,apreciándose en J-104 y Suweon-294 un mejor comportamiento si se tiene en cuenta que comenzando por el límite superior de altura de la planta y profundizando 30 cm (alturas de 90 y 70 cm respectivamente) reciben el 70 % de la intensidad luminosa, mientras que en las variedades Nipponbare y Bluebonnet-50 se observa un decrecimiento muy rápido de la intensidad luminosa con solo profundizar 10 cm, y si son comparadas profundizando 30 cm estas solo reciben aproximadamente el 50 y 35 %, respectivamente, lo cual evidentemente está relacionado con el tipo de planta. Bluebonnet-50 por ejemplo, es una variedad alta caracterizada por un porte abierto y con hojas largas y anchas lo cual favorece el autosombreo y dificulta la llegada de la radiación solar a las hojas inferiores.
La radiación solar es la fuente de energía para el proceso fotosintético y para la evapotranspiración, por lo cual es considerada fundamental para obtener buenos rendimientos. Su efecto es escaso durante las primeras etapas de desarrollo de la planta; pero incide fundamentalmente en la etapa reproductiva (desde diferenciación de primordio a floración) afectando el número total de granos producidos por panojas.
El efecto es algo menor en el período de llenado de granos, y en este caso afecta el número de granos llenos ( 11). También el sombreado durante la fase vegetativa afecta ligeramente al rendimiento y sus componentes, a los 16 días de paniculación causa esterilidad de las espiguillas por falta de carbohidratos y tiene efectos serios sobre el número de espiguillas, además reduce en forma considerable el rendimiento debido al menor porcentaje de espiguillas llenas ( 12).
Para el peso seco, en el caso de las hojas verdes, el mayor valor correspondió a la variedad J-104 y el menor valor a Bluebonnet-50. Mientras, para las hojas secas ocurrió lo contrario, Bluebonnet-50 mostró el mayor valor y J-104 el menor.
Es importante destacar que a pesar de que en el cultivar tradicional Bluebonnet-50 que resultó ser el más alto (150 cm) las hojas secas comienzan a aparecer a los 80 cm de altura, a diferencia de la variedad mejorada J-104 de 120 cm de altura donde estas aparecen a los 70 cm; no obstante, Bluebonnet-50 casi duplica el peso de las hojas secas con respecto a J-104. Se debe señalar que el cultivar J-104 al tener un ciclo más largo que el resto, en el momento que se hizo la evaluación de la estructura productiva estaba aún en fase de paniculación y el resto ya se encontraba en fase de maduración, es decir estaba un poco desfasada del resto. Esta aclaración pudiera justificar las diferencias.
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En este sentido se plantea que disminuyendo el largo de la hoja del primer, segundo y tercer nudo puede ayudar a reducir el sombreado mutuo y aumentar la asimilación en esas hojas ( 13).
En otras investigaciones se verificaron diferencias entre variedades de arroz en la Tasa Absoluta de Crecimiento (TAC) de la masa seca de la parte aérea, en cuanto a la magnitud y precocidad en el crecimiento (14), mostrando algunos de los cultivares analizados similitudes con los evaluados en este trabajo, tanto en ciclo como en otros caracteres morfoagronómicos.
Los cultivares tradicionales de porte alto como Bluebonnet-50 y con ángulos de la hoja horizontales tienen un menor aprovechamiento de la intensidad luminosa. Por esta razón, se recomiendan las variedades con tallos y hojas erectas, en este caso con similares características que J-104 y Suweon-294, que evitan el sombreado recíproco y así interceptan más la luz solar, para una mejor fotosíntesis y consecuentemente mejores rendimientos. La selección de cultivares con hoja bandera erectas, ángulo agudo y panojas que no sobresalgan en exceso a la hoja bandera a modo de minimizar la sombra de las hojas superiores durante la fase de maduración, son también caracteres deseados ( 12). Otros autores señalan que un porte con hojas erectas es un carácter agronómico importante para producir altos rendimientos porque este tipo de plantas soporta una alta densidad de siembra y los nudos basales de la planta perciben mayor radiación solar ante estas condiciones de cultivo. Las hojas erectas son causadas por un gen que confiere insensibilidad a las hormonas del grupo brasinoesteroides que regula la división y la diferenciación celular. Existen varios tipos de genes que se emplean actualmente en el mejoramiento de arroz para regular la arquitectura de la planta ( 15).
Analizando el peso seco de los tallos y panículas se evidencia que el mejor comportamiento lo tuvo la variedad Suweon-294 que alcanzó los mayores valores para estos indicadores; sin embargo, en el caso del peso seco de los tallos la variedad J-104 tuvo un comportamiento similar a ella, aunque al analizar las panículas esta variedad fue la de menor peso seco, debido a que se encontraba en la fase de paniculación y este proceso no había culminado aún, pero cuando se evaluó al final del ciclo el rendimiento de grano, resultó ser la variedad de mejores resultados integralmente (Tabla II).
En el caso de Bluebonnnet-50 el peso seco de los tallos es muy bajo; sin embargo, con las panículas ocurre lo contrario, lo que está relacionado con las características de esta variedad, cuya planta es muy alta, de hojas largas y anchas con senescencia temprana, que además tiene pobre capacidad de ahijamiento y panículas completamente emergidas, compactas y generalmente grandes.
Se plantea que las características del sistema fuente-sumidero son dinámicas y varían de acuerdo con la etapa fenológica del cultivo, genotipo y condiciones agroclimáticas. Uno de los objetivos del mejoramiento genético convencional ha sido favorecer el balance del carbono hacia el sumidero. Sin embargo, en cultivos básicos como arroz, se ha llegado, al parecer, a un tope genético que requiere la implementación de estrategias distintas para incrementar el rendimiento y la eficiencia metabólica del carbono en la fuente y el sumidero. Determinadas porciones de carbono se asignan para proveer las necesidades del metabolismo inmediato de la hoja y para satisfacer la demanda metabólica durante el ciclo de 24 horas. Las reservas foliares son en consecuencia accesibles para ser reasignadas y exportadas en las noches o durante los periodos de estrés cuando la fotosíntesis es muy baja ( 16). ]]>
El análisis estadístico mostró diferencias significativas para el rendimiento y sus componentes en las cuatro variedades (Tabla II). La variedad japonesa Nipponbare tuvo el mayor número de panículas por metro cuadrado con diferencias estadísticas significativas con las demás variedades evaluadas, mientras que el mejor comportamiento para el resto de los caracteres lo mostró la variedad cubana J-104. Esta última presentó el mayor número de granos llenos por panícula sin diferencias significativas con Bluebonnet-50, ambas del tipo índica, también los granos de J-104 fueron los más pesados y a su vez logró los mayores rendimientos.
Los componentes que determinan el rendimiento son las panojas por unidad de superficie, el número de espiguillas por panoja, el porcentaje de espiguillas llenas y el peso de los granos. El principal componente que afecta el rendimiento es el número de panojas por superficie, que se establece durante el período vegetativo. En esta etapa el nitrógeno es fundamental para lograr un alto macollaje y acumulación de biomasa. El tamaño de la panoja es determinado durante el período reproductivo y el peso de los granos junto con la esterilidad es definida durante el llenado. Los estreses bióticos y abióticos en los distintos períodos reducen los rendimientos.
Sin embargo, el período reproductivo es considerado el más sensible y las limitaciones en esta etapa causan los mayores perjuicios ( 17).
Se plantea que el arroz en los trópicos se cosecha aproximadamente un mes después de la floración, mientras que en Japón no se cosecha hasta un mes y medio después. El hecho de que el período de floración sea más corto en los trópicos, en parte se debe a las altas temperaturas. Según estudios, el número de días que transcurre entre la floración y el momento en que el grano alcanza su peso máximo es menor en las variedades índicas que en las variedades japónicas. Las bajas temperaturas alargan a menudo el período de maduración, para las variedades índicas, es posible que un período de maduración más largo sea favorable para la producción, por tanto existe la posibilidad de aumentar la cosecha de índicas alargando este período por selección genética ( 18).
Una importante relación es la que se establece entre la intensidad luminosa recibida por la planta y el rendimiento. La intensidad de la luz tiene un papel primordial en el período de formación del grano, se sabe que se origina la acumulación de reservas en el grano a partir de los productos fotosintetizados en esta etapa. Según Singh, 2008 en el arroz hay una fórmula que establece que a mayor intensidad de radiación solar después de la floración mayores serán los rendimientos.
La Figura 3, muestra un análisis de regresión entre estas variables para las cuatro variedades evaluadas. El coeficiente de determinación es de 87,02 y el de correlación es de 0,9328, indicando una relación lineal directa entre las variables, estadísticamente significativas para un nivel de confianza del 95 %, se aprecia que en la medida que aumenta la intensidad luminosa también se incrementa el rendimiento.
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Se corroboran así las consideraciones hechas anteriormente cuando se analizó la Figura 2 (A y B) y la Tabla II, donde las variedades J-104 y Suweon-294 fueron las de mejor comportamiento al evaluar la intensidad luminosa y las que mostraron los mayores rendimientos respectivamente. Estas variedades aunque son originarias de Cuba y Corea respectivamente tienen en común características del tipo índica y fueron evaluadas en Japón bajo condiciones óptimas de cultivo, favorables para expresar su potencial. Se conoce que la eficiencia del proceso fotosintético depende de factores ambientales como humedad, temperatura e intensidad lumínica. La planta ajusta su eficiencia fotosintética a la máxima intensidad de luz, temperatura, estado de desarrollo, factores genéticos y a la apertura y cierre estomáticos dependientes de la dinámica del continuo suelo-planta-atmósfera ( 16).
Algunas experiencias señalan que la radiación incidente en Yunnan (China) no es elevada (17 Mj/m2/d) si se compara con otros sitios de alto rendimiento como Yanco en Australia (23 Mj/m2/d); pero un rápido crecimiento inicial, con un alto índice de área foliar y buena dotación de N posibilitan una gran intersección y buena conversión de la radiación incidente. En Yunnan los altos rendimientos han sido relacionados con un extenso ciclo de cultivo, junto con una alta tasa de crecimiento, mientras que en Yanco, fue como resultado de una elevada radiación solar ( 19).
Particularmente, la carencia de insolación en la fase reproductiva afecta el llenado y la calidad de los granos. La asimilación comienza con la salida del sol y se vuelve más activa a medida que aumenta la luz. Una parte importante de los carbohidratos acumulados en los cereales proviene del proceso de fotosíntesis que tiene lugar durante el período comprendido entre prefloración hasta el período de maduración. Por tanto, es lógico que cuanto más fuerte sea la radiación solar a lo largo de la maduración, más abundante será la cosecha ( 18).
Algunos autores al evaluar diferentes ambientes afirman que la temperatura, la humedad relativa y la radiación solar fueron las principales variables ambientales que afectaron la calidad del arroz. Es frecuente la ocurrencia de bajos rendimientos en los años de poca luz solar causada por condiciones de nublado y lluvia, estas condiciones también producen plantas más altas ( 20). En trabajos desarrollados en el Este de Uruguay se ha constatado que ocurre una disminución en radiación disponible para llenado de granos en la medida que se atrasa la fecha de siembra, lo que supone exponer el cultivo a un ambiente productivo más carente de recursos. La disminución en la energía fotosintética disponible para el llenado de granos podría ser parcialmente compensada por la acumulación de reservas de carbohidratos en tallos y vainas en prefloración, en cultivares con esta capacidad. Se conocen reportes de cultivares que traslocan eficientemente dichas reservas durante el llenado de granos contribuyendo a este proceso en hasta 30 a 40 % ( 21).
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En este sentido hay coincidencia de criterios ya que otros autores señalan que el período más crítico de necesidades de radiación solar del arroz es el comprendido desde el inicio de la formación de la panícula hasta 10 días antes de la maduración completa del grano. La cantidad de energía solar recibida por el cultivo, desde el inicio de la formación de la panícula hasta su maduración, es esencial para la acumulación de materia seca, cuyo incremento en dicho período se relaciona con el rendimiento. Además señalan la existencia de correlaciones entre estas variables (7). Asimismo la translocación de carbohidratos juega un rol fundamental al inicio del llenado de granos, y actúa como «buffer» cuando un estrés limita la capacidad fotosintética. Cuando la demanda de los destinos supera la capacidad de producción fotosintética, la removilizacción de sustancias de reserva del tallo aporta a esa demanda4.
Es importante señalar que el 80 % de los hijos formados por J-104 fueron efectivos, siendo esta una característica importante ya que la planta de arroz no gasta energía en formar hijos que al final mueren o no forman panículas e igualmente esta variedad alcanzó los mejores resultados en el análisis de la tendencia de los valores SPAD, que miden la cantidad de clorofila y se utilizan como indicador del contenido de nitrógeno en las hojas de los cultivos. Lo que se constató también de forma visual, observándose una coloración verde más intensa durante todo el ciclo de desarrollo del cultivo ( 22).
De forma general se puede decir que la variedad índica-japónica Suweon-294 tuvo el mejor comportamiento en el análisis de la estructura productiva, mientras que la variedad índica J-104 logró el mejor comportamiento para rendimiento y la mayoría de sus componentes.Se deduce que en el análisis de la estructura productiva de J-104, podría haber conseguido mejores resultados, ya que el ciclo de esta variedad tuvo una duración mayor que el resto y cuando se realizó este análisis estaba aún paniculando, mientras que el resto de las variedades ya se encontraban en la fase de maduración. Este criterio se basa en el hecho de que fue una de las variedades que mayor incidencia de la radiación solar mostró debido a su porte erecto e incluso en esas condiciones logró una buena formación de tallos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer a la Agencia de Cooperación Internacional de Japón (JICA) y a todo el personal del Centro Internacional de Tsukuba (TBIC) por la posibilidad de realizar este estudio. A todos los profesores e integrantes del Program Team II, especialmente al Dr. Shohara Kenishiro y al resto de los Asesores Técnicos por las sugerencias realizadas durante la conducción del experimento.
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Así mismo a Santiago Hernaiz y Karla Cordero, investigadores del Centro Regional de Investigación Quilamapu perteneciente al Instituto de Investigaciones Agropecuarias de Chile por la minuciosa revisión del documento y los valiosos consejos brindados para su terminación.
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Recibido: 14 de julio de 2011
Aceptado: 23 de agosto de 2012
M.Sc. Sandra H. Díaz Solís, Investigadores Auxiliares de la Unidad Científico Tecnológica de Base Los Palacios, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, gaveta postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32 700. Email: shdiaz@inca.edu.cu
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