Fluorescencia de clorofila a como indicador de los efectos de la ceniza volcánica en plántulas de frijol

Resumen

La fluorescencia es un mecanismo de la hoja para evitar el daño fotosintético por exceso de energía mediante la reemisión de luz a diferente longitud de onda, este parámetro mide la eficiencia cuántica del fotosistema II (Fv/Fm). La fluorescencia es un método rápido, eficaz y no invasivo, ampliamente utilizado en estudios de estrés ambiental. La ceniza volcánica podría considerarse como un factor de estrés que podría repercutir en la fotosíntesis de las plántulas. Su composición química podría afectar el pH del suelo, estrés que se ha comprobado ser sensible a las mediciones de Fv/Fm. Determinar el grado de alteración de los organismos vegetales a condiciones de ceniza y su efecto como lluvia ácida son de gran relevancia para tomar acciones y mitigar el daño, pues la fluorescencia brinda la relación de afectación aún antes de que la hoja lo demuestre. Para medir si existe efecto, realizamos un experimento con tres tratamientos, dos con ceniza en diferente disposición y un control. Mantuvimos las plántulas por un mes bajo cada tratamiento y medimos con un fluorómetro Fv/Fm. No encontramos diferencias entre los tratamientos. Sin embargo no podemos decir que haya existido un efecto (negativo o positivo) sobre las plantas debido a que el valor general de fluorescencia fue más bajo que 0.75.

Palabras clave Fotoinhibición, estres, fisiologia vegetal, volcán

Introducción

Los estudios sobre el impacto de la ceniza de volcán sobre los ecosistemas son escasos, lo cual es sorprendente debido a la frecuencia de la actividad volcánica alrededor del orbe. En el mundo existen entre 55 y 70 erupciones de volcanes por año, teniendo la mayoría del impacto en regiones locales (Martínez et al., 2013). Para el caso de Costa Rica, las erupciones continuas de ceniza del Volcán Turrialba a lo largo de los últimos meses ponen en alerta a la población y desde ya se observan las repercusiones en cultivos y pastizales. Los suelos volcánicos poseen un enorme potencial para la agricultura, y consecuente a esto las regiones más productivas en el mundo se encuentran cerca de volcanes (Martínez et al., 2013), pero su efecto inmediato en la fisiología de la planta es adverso.

El aspecto físico de la ceniza repercute también en la fisiología de las plantas cuando se considera como una partícula de polvo. Hirano y Aiga (1995) estudiaron el efecto de partículas de polvo (ya fuera de origen natural o artificial) en la superficie de hojas, y encontraron que la acumulación de polvo tiene repercusiones en la fotosíntesis y consecuentemente en el crecimiento, transpiración, descenso en la conductancia estomatal y un incremento en la temperatura de la hoja.

Un fotón de energía de luz absorbida por una la molécula de clorofila puede ir por tres caminos, ir al proceso de fotosíntesis, ser disipado en calor o puede ser re-emitido como luz a una longitud de onda mayor, proceso llamado fluorescencia (Maxwell y Johnson, 2000). La emisión de fluorescencia puede ser medida como indicador del rendimiento cuántico del fotosistema II y la existencia de fotoinhibición de la fotosíntesis debido a su disminución (Ríos y Araya, 2002). Fv/Fm se utiliza mayormente para determinar si un tratamiento de estrés tiene una efecto en la planta (Roácek et al., 2008), si los valores decrecen a valores menores de 0,75 indica que el rendimiento para reemitir la luz y evitar la fotoinhibición está afectado, hasta llegar a la muerte de la planta (Ríos y Araya, 2002).

La fuerza generadora del estrés biológico la constituyen todas aquellas alteraciones que ocurren en el medio ambiente y que pueden influir en el desarrollo normal de la planta. Nuestro objetivo es determinar si existe un efecto de la ceniza como factor de estrés al rendimiento cuántico del fotosistema II. Determinar el grado de respuesta fisiológica de las especies vegetales a la ceniza de volcán es importante si queremos predecir y mitigar sus efectos, aún más en un país como Costa Rica, que cuenta con una cantidad considerable de volcanes activos, y puede llegar a perturbar la economía del ámbito agrícola.

Metodología

La ceniza utilizada en los experimentos la recolectamos en las laderas de los senderos del Parque Nacional Irazú, sector Prusia (9°57’13.0“N 83°52’53.5”W). Este lugar ha recibido ceniza proveniente del volcán y la capa superior del horizonte del suelo es de ceniza volcánica.

Realizamos tres tratamientos, uno con ceniza en la capa superficial (S), ceniza combinada con el sustrato (M) y un control (C). Utilizamos plántulas de frijoles costarricenses con 13 individuos por tratamiento, mantuvimos por 30 días los tratamientos. Al finalizar, adaptamos a la sombra las hojas de las plántulas que sobrevivieron por una hora y medimos el parámetro de Fv/Fm por triplicado. La fluorescencia fue tomada con un fluorómetro de clorofila (Modelo OS-30P, OPTI-SCIENCES). Las mediciones las realizamos en la parte de la hoja sana, evitando así datos de baja fluorescencia que correspondieran a daños por herbivorismo, hongos u otros.

Analizamos los datos a través de una prueba de Kruskall-Wallis con el programa estadístico R (versión 3.2.2), para determinar si la ceniza en los tratamientos produjo un efecto negativo en el rendimiento cuántico del fotosistema II.

Resultados

Encontramos que dentro de todos los tratamientos hubo mortalidad. En el tratamiento S 38% de las plántulas murieron y 69% en los tratamientos M y C. El promedio general de fluorescencia fue de 0.6137 que es menor respecto al valor de referencia para una planta sana (t = -3.227, df = 15, p-value = 0.002822). No encontramos diferencias en los valores de fluorescencia entre los tratamientos (X2 = 3.77, gl = 2, P = 0.4457) (Fig. 1.).

alt text

Figura 1. Fluorescencia promedio de los tratamientos estudiados. Control (C), Mezcla de ceniza con sustrato (M) y Ceniza en la superficie (S).

Discusión

Exactamente el efecto de la ceniza, en el sustrato, sobre la salud de la planta no se ha medido. Sin embargo otros estudios si han encontrado efectos generados por la ceniza, pero en otros ámbitos como en interrumpir las relaciones planta - polinizador (Martínez et al., 2013) o el efecto que causa debido a que se puede comportar como polvo y depositarse sobre las hojas generando deficiencias en la fotosíntesis (Hirano y Aiga, 1995).

Por otro lado la ceniza volcánica generalmente se asocia con lluvia ácida y este efecto si ha sido medido con anterioridad en plantas (Velikova et al., 1998). Este estudio lo abordaron a través de fluorescencia, igual a nosotros, y si encontraron diferencias entre los tratamientos debido a la lluvia ácida. Por lo cual, aunque nosotros no encontraramos diferencias entre los tratamientos pensamos que no fue debido a los tratamientos en sí, sino a la calidad del sustrato de las plantas y las condiciones en general del recinto. Nos parece que lo anterior es la causa debido que cuando vemos los valores promedio individuales y total de fluorescencia aunado a la alta mortalidad notamos que todas las plantas de nuestro estudio estaban estresadas, incluso los controles.

En nuestro trabajo concluímos que, por el momento, no es posible dar un dictamen sobre si existe un efecto negativo o positivo de la ceniza en el sustrato sobre la salud de plántulas. Debido a las diferentes intrusiones ya descritas anteriormente.

Dado las fuentes de error detectadas y el hecho que si es posible detectar estrés en plantas causado por pH a través de fluorescencia, nosotros recomendamos re hacer este experimento, pero con ciertas modificaciones. Proponemos evaluar más delicadamente el sustrato a utilizar para que sea rico en nutrientes y no se agoten con rapidez o que se trate con abono de manera regular los tratemientos a lo largo del estudio. Además recomendamos aumentar el número de muestras lo más posible por tratamiento y también el tiempo de exposición a la ceniza. En este estudio solo utilizamos plántulas de frijoles, pero se puede añadir una segunda especie que sea común en la zona, como el poró (Erythrina sp.). Por último recomendamos realizar una prueba de germinación con semillas bajo los mismos tratamientos y evaluarlo debido a que este es un aspecto importante que se debe tomar en cuenta.

Referencias

. Hirano, T., Kiyota, M., & Aiga, I. (1995). Physical effects of dust on leaf physiology of cucumber and kidney bean plants. Environmental Pollution, 89(3), 255-261.

. Martínez, A. S., Masciocchi, M., Villacide, J. M., Huerta, G., Daneri, L., Bruchhausen, A., … & Corley, J. C. (2013). Ashes in the air: the effects of volcanic ash emissions on plant-pollinator relationships and possible consequences for apiculture. Apidologie, 44(3), 268-277

. Maxwell, K., & Johnson, G. N. (2000). Chlorophyll fluorescence-a practical guide. Journal of experimental botany, 51(345), 659-668.

. Rios, L. C., & Araya, H. E. (2002). Cambios en los contenidos de clorofila, proteínas y niveles de fluorescencia de clorofila en plantas de café (Coffea arabica L.) cultivadas en zonas áridas en diferentes condiciones de luminosidadl. IDESIA (Chile), 20(2), 111-118.

. Rohácek, K., Soukupová, J., & Barták, M. (2008). Chlorophyll fluorescence: a wonderful tool to study plant physiology and plant stress. Plant Cell Compartments-Selected Topics. Research Signpost, Kerala, India, 41-104.

. Velikova, V. B., Yordanov, I. T., Georgieva, K. M., Tsonev, T. D., & Goltsev, V. (1998). Effects of exogenous polyamines applied separately and in combination with simulated acid rain on functional activity of photosynthetic apparatus. Journal of plant physiology, 153(3), 299-307.