Evaluation of salinity tolerance in cowpea bean using variables related with nodulation and foliar nitrogen accumulation

M.Sc. Ernesto J. Gómez Padilla,^I M.Sc. Leandris Argentel Martínez,^II Carlos Ávila Amador,^III M.Sc. Katia Alarcón Barrero,^III Dr.C. Raúl López Sánchez,^IV Dra.C. Beatriz Ruiz-Díez,^V Mercedes Fernández-Pascual,^VI Dra.C. Bettina Eichler-Loebermann^VII

^IAspirante Investigador, Profesor Asistente del Centro de Estudios de Biotecnología Vegetal, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Granma, Cuba.
^IIProfesor Auxiliar del Centro de Estudios de Biotecnología Vegetal, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Granma, Cuba.
^IIIProfesores Asistentes del Centro de Estudios de Biotecnología Vegetal, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Granma, Cuba.
^IV Investigador Agregado, Profesor Titular del Centro de Estudios de Biotecnología Vegetal, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Granma, Cuba. ]]> ^VInvestigadora Contratada, Instituto de Ciencias Agrarias, Madrid, España.
^VIInvestigadora Científica, Instituto de Ciencias Agrarias, Madrid, España.
^VIIDr. Hab. Investigadores, Universidad de Rostock, Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales, Rostock, Alemania.

RESUMEN

Se determinó la tolerancia a la salinidad de 12 variedades de frijol caupí (Vigna unguiculata L. Walp) a partir de la evaluación de variables relacionadas con la nodulación, la masa seca aérea y su contenido de nitrógeno. Las variedades fueron sembradas de manera simultánea en dos suelos diferentes, uno salinizado y otro no salinizado, y distribuidas en un diseño en bloques al azar con tres réplicas, sin empleo de inoculante. En floración fueron evaluadas la masa seca aérea y de la raíz, formación de nódulos, efectividad y masa seca de los mismos, así como el contenido de nitrógeno en la masa seca aérea. A partir de los datos obtenidos de cada una de las variables se realizó la prueba de t de Student para comparar los resultados de las variables de suelo salinizado en relación con el no salinizado. Se determinó el índice de tolerancia a la salinidad de los 12 genotipos a través de un análisis multivariado de Conglomerado Jerárquico de Ligamiento Completo que permitió establecer agrupamientos de acuerdo al grado de tolerancia de las variedades al estrés. Los resultados demostraron que existieron afectaciones en las variables evaluadas para la mayoría de los genotipos establecidos en el suelo salinizado, aunque las diferencias entre estos se evidenciaron al evaluar el dendograma formado, el cual realizó dos agrupamientos de acuerdo al grado de tolerancia a las sales. En el grupo I con características marcadas de tolerancia, se ubicaron ocho variedades, mientras que en el grupo II se encontraron las cuatro susceptibles.

Palabras clave: frijol, fijación del nitrógeno, nodulación, salinidad, tolerancia.

INTRODUCCIÓN

Más de 800 millones de hectáreas alrededor del mundo están afectadas por sales y de las áreas cultivadas más del 4 % tienen esta problemática, por lo cual, la salinización de los suelos es uno de los retos más importantes a los cuales se enfrenta la agricultura a nivel internacional (1).
]]> Cuba no está exenta de esta situación, existiendo más de un millón de hectáreas afectadas en el país, y de ellas alrededor del 14 % son de interés agrícola (2). Una de las zonas representativas de esta problemática se encuentra en la provincia Granma, con alrededor de 228 mil hectáreas, estimándose que cerca del 28 y 11 % clasifican como fuertemente y muy fuertemente salinizadas, respectivamente. Sin embargo, el 61 % de ellas son débilmente salinas, lo cual expresa el potencial crecimiento de este fenómeno en los próximos años (3).

La salinidad puede dañar directamente a los cultivos desde las primeras etapas del desarrollo hasta la culminación de su ciclo biológico, afectando sus rendimientos e incluso provocando la muerte en las especies más susceptibles (4). Algunos de los efectos más comunes y perjudiciales provocados por la salinidad tienen relación con el incremento de la toxicidad específica, normalmente asociada a la absorción excesiva de Na+ y de Cl-; un desequilibrio nutricional debido a la interferencia de los iones salinos con los nutrientes esenciales, el efecto osmótico y la combinación de los efectos antes mencionados (1).

La salinidad también afecta la simbiosis rizobio-leguminosa (5). Se ha reportado que las poblaciones de rizobios del suelo disminuyen al igual que la capacidad de las plantas para formar nódulos (6), se afecta de manera directa el proceso de fijación simbiótica de nitrógeno por la disminución de la actividad de la enzima nitrogenasa y disminuyen los niveles de leghemoglobina en el interior de los nódulos formados, por solo citar algunos (7).

Aunque el frijol caupí se ha reportado como de fácil adaptación a diferentes condiciones estresantes (8), la alta variabilidad genética que existe entre los cultivares de la especie hace que las manifestaciones de tolerancia entre estos sean diferentes (9, 10).

Por otra parte, la mayoría de los reportes sobre estudios de tolerancia en esta leguminosa al estrés por sales, se han basado fundamentalmente en la evaluación de variables relacionadas con la germinación, acumulación de iones, rendimiento del cultivo, entre otros (11, 12). Sin embargo, variables relacionadas con la fijación simbiótica de nitrógeno como la formación de nódulos, su masa seca y efectividad, así como acumulación de materia seca y contenido de nitrógeno en la biomasa, son pocas veces tomadas en cuenta.
]]> Por tal motivo, el objetivo de nuestra investigación estuvo encaminado a evaluar la tolerancia a la salinidad de 12 genotipos de frijol caupí, a partir del análisis de variables relacionadas con la nodulación, acumulación de masa seca aérea y su contenido de nitrógeno, en suelos afectados por sales.

MATERIALES Y MÉTODOS

La experiencia se desarrolló en el período enero-mayo durante los años 2006 y 2007, en el municipio Jiguaní, específicamente en la Granja San José, de la Empresa Genética y Cría «Manuel Fajardo», provincia Granma, Cuba. La etapa se caracterizó por presentar temperaturas medias que oscilaron entre 22,9 y 24,73°C. En tanto, la humedad relativa mostró valores medios entre 74,9 y 77,3 %. Las precipitaciones fueron escasas, con rangos que estuvieron entre 5,36 a 16,7 mm, caracterizándose el periodo como seco.

Los experimentos se establecieron en dos suelos diferentes, uno salinizado y otro con un contenido de sales normal (Tabla I). En cada suelo fueron sembradas, sin utilizar inóculos, 12 variedades de frijol Caupí (IT 86 D-715, Trópico Yarey, Cubanita-666, IITA-Precoz, IT 86 D-510, IT 86-D 792, IT 86 D-389, IT 82 E-9, Viñales-144, IT 86 D-386, Cancarro e IT 86 D-719) procedentes del Instituto de Investigaciones Agropecuarias «Jorge Dimitrov», que fueron distribuidas en un diseño de bloques al azar con tres réplicas en parcelas de 2,10 x 4,00 m.

La siembra se realizó a una distancia de 0,70 x 0,10 m. Las labores agrotécnicas del cultivo se realizaron de acuerdo con lo recomendado por la tecnología1.

A los 40 días de establecido el experimento, a inicios de la floración, se tomaron 10 plantas por parcela experimental con el objetivo de realizar las determinaciones: número de nódulos por planta (NNPL) y número de nódulos efectivos según determinación visual (NNRo). Las raíces y la parte aérea de las plantas por separado, al igual que los nódulos radicales recolectados, fueron secados en estufa a una temperatura de 70oC hasta alcanzar peso constante. ]]>
Luego fue determinada la masa seca aérea (MSA) y de la raíz (MSR), masa seca de los nódulos (MSN) y el contenido de nitrógeno de la masa seca aérea (N), (13).

Se evaluaron las diferencias de las variables utilizadas en el suelo salino en relación con el suelo no salinizado para todos los genotipos, mediante la prueba t de Student. Con los datos recopilados de ambos suelos se determinó el índice de tolerancia a la salinidad (ITS) de cada una de estas variables2.

ITS =[(Yc)(Ys)]/(Yc)²

donde:
Yc-tratamiento no salino
Ys-tratamiento salino ]]>
El índice de tolerancia fue utilizado para realizar un análisis de Conglomerado Jerárquico de Ligamiento Completo sobre la base de la distancia euclidiana, con el objetivo de establecer agrupamientos de variedades de acuerdo a su nivel de tolerancia. Los datos fueron procesados con el paquete Statistica para Windows 83 (versión) .

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Evaluación de la nodulación natural, acumulación de masa seca aérea y su contenido de nitrógeno

Los resultados indican la existencia de cepas nativas, tanto en el suelo no salinizado, como en el afectado por sales, ya que todas las variedades lograron nodular sin haber sido inoculadas (Tabla II). Aunque el número de nódulos por planta (NNPL) en el suelo no salinizado por lo general fue significativamente superior, algunas variedades como la IT 86 D-715, IT 86 D-510, IT 82 E-9 y Cancarro, lograron formar cantidades similares en el suelo afectado por sales.

La masa seca de los nódulos (MSN) (Tabla II), también experimentó una reducción importante en todas las variedades en condiciones de salinidad.
]]> No obstante, en los nódulos encontrados prevaleció la coloración rosada (NNRo) independientemente del suelo donde se desarrollaron las plantas (Tabla II), lo que demuestra que eran activos. Solo en IT 86 D-510, IT 86 D-389, Viñales-144, IT 86D-719, se afectó significativamente esta variable en condiciones de estrés.

Aunque la salinidad también ejerció un efecto negativo sobre la masa seca de las raíces (MSR) y la masa seca aérea (MSA), en genotipos como IT 86 D-715, IT 86 D-510 e IT 82 E-9, estas variables no sufrieron afectaciones. Por su parte, el contenido de nitrógeno de la masa aérea si disminuyó en el suelo salinizado de manera significativa en todas las variedades (Tabla III).

Los resultados de estos experimentos coinciden con otros reportes realizados en suelos afectados por sales para el cultivo del caupí (8, 11). Sin embargo, en la provincia Granma no existen referencias anteriores sobre la capacidad de nodulación de esta leguminosa en suelos salinizados.

La limitación de la nodulación en estas áreas puede estar condicionada por los efectos perjudiciales que ejerce la salinidad sobre las poblaciones de rizobios nativos (5, 14), el daño que ocurre directamente sobre la planta (7) y sobre algunos de los procesos que tienen relación con la infección y establecimiento de estas bacterias en las raíces de la leguminosa (8).

En estos experimentos, aun cuando la nodulación se produjo en todos los genotipos utilizados, y la mayoría de los nódulos presentaron una coloración rosada, lo cual es un indicador cualitativo de su eficiencia simbiótica (5), la disminución del número de estas estructuras, así como la reducción de su masa seca en algunos de los genotipos, demuestra que la interacción planta-microorganismo en ellos no se comportó de manera similar, probablemente debido a que los mecanismos o vías de respuesta utilizados frente al factor estresante no fueron los mismos (15).
]]> A esto se suma las diferencias observadas en la masa seca de raíces y hojas, así como su contenido de nitrógeno.

En este caso, el Análisis de Conglomerado Jerárquico permitió establecer agrupamientos de variedades, de acuerdo a su nivel de tolerancia a la salinidad, basado en las variables evaluadas.

Evaluación de la tolerancia a la salinidad

El análisis de Conglomerado Jerárquico de Ligamiento Completo en base a la distancia euclidiana, facilitó la formación de dos grandes grupos de variedades, de acuerdo a su nivel de tolerancia, que resumen la tendencia en el comportamiento de todas las variables en los genotipos utilizados (Figura 1).

El grupo I fue conformado por ocho genotipos, IT 86 D-715, IT 86 D-510, IT 82 E-9, Cancarro, Trópico Yarey, Cubanita-666, IT 86 D-389 e IT 86 D-792 (Figura 1). Estas variedades presentaron los mayores aportes promedios, y por ende las características de mayor tolerancia (Tabla IV). El grupo II, estuvo formado por los cuatro genotipos restantes, IITA-Precoz, Viñales-144, IT 86 D-386 e IT 86 D-719, los cuales clasificaron como susceptibles con los menores valores promedio para todas las variables.
]]> Estos resultados confirman el hecho de que, aunque todas las variables relacionadas con la nodulación y fijación de nitrógeno sufrieron afectaciones por la presencia de sales, la mayoría de los genotipos mostraron marcadas características de tolerancia por ubicarse en el grupo I del dendograma formado.

Este grupo presentó los mayores aportes promedio de cada una de sus variables. Por otro lado, sugiere que es posible, para las condiciones de suelos salinizados, realizar evaluaciones y clasificación de genotipos tolerantes a partir de variables como la nodulación, masa seca de los nódulos, masa seca aérea de la planta y su contenido de nitrógeno.

La manifestación de tolerancia o susceptibilidad del frijol caupí está relacionada con la utilización de mecanismos para compartimentar o excluir los iones tóxicos de Na⁺ y Cl^- (16, 17). Se ha demostrado que en los genotipos más tolerantes a la salinidad, estos iones se acumulan mayormente en las raíces, mientras que en los más susceptibles las mayores cantidades aparecen en las hojas (11). Simultáneamente, las plantas tolerantes incrementan la acumulación de iones compatibles como el K⁺ y el Ca²⁺ en las hojas (18, 19).

Por su parte, los rizobios también han creado mecanismos para poder adaptarse a condiciones de estrés por sales. Se ha demostrado que el aumento de la concentración salina en el interior del nódulo, desencadena una serie de señales bioquímicas que contribuyen a la acumulación de solutos compatibles como la síntesis de glutamato, trealosa y betaina, así como el contenido de azúcares (20, 21). En otros casos, se producen cambios a nivel ultra-estructural que no permiten que los iones tóxicos penetren al interior del nódulo y dañen la actividad de la enzima nitrogenasa, como es el caso del aumento del tamaño de la corteza externa de los nódulos, y el incremento del espacio peribacteroidal (22, 23).

De esta forma, si ambos simbiontes logran desarrollar mecanismos específicos para evitar los efectos perjudiciales de la salinidad, las probabilidades de formación de nódulos se incrementan, y con ello, la capacidad de la planta para fijar dinitrógeno atmosférico con los consiguientes beneficios que se producen en el desarrollo y rendimiento, en relación con aquellas en las que no se logra establecer la simbiosis (24, 25). Razón por la cual, es necesario tener en cuenta estas variables como criterio para evaluar la tolerancia de esta especie a las condiciones de estrés por sales.
]]> Los resultados de esta investigación demuestran que en el suelo afectado por sales existen rizobios nativos capaces de formar nódulos en las raíces de la leguminosa y que aunque las variables evaluadas son afectadas en presencia de sales, existen diferencias en cuanto al comportamiento de los genotipos en estas condiciones, encontrándose ocho de ellos con marcadas características de tolerancia.

Otro aspecto importante a resaltar en esta investigación, es que a partir de las poblaciones de rizobios presentes en estos suelos se pueden aislar cepas mejor adaptadas a estas condiciones, lo que permitiría obtener biopreparados que podrían ser usados no solo con el objetivo de sustituir la fertilización nitrogenada, sino también conferirle a la leguminosa mayores características de tolerancia a la salinidad, a partir de la optimización del proceso de fijación biológica del nitrógeno. De igual forma, permitiría realizar estudios sobre las relaciones macro-microsimbionte, en función de determinar el grado de influencia que ejerce la interacción de ambos a estas manifestaciones de tolerancia.

REFERENCIAS

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Recibido: 9 de noviembre de 2011 ]]> Aceptado: 28 de enero de 2013

M.Sc. Ernesto J. Gómez Padilla, Aspirante Investigador, Profesor Asistente del Centro de Estudios de Biotecnología Vegetal, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Granma, Cuba. Email:egomezp@udg.co.cu