Resumen

La radiación solar desempeña un papel esencial en el desarrollo ambiental y fisiológico de las plantas y árboles ya que afecta procesos biológicos, ciclos naturales y factores ambientales como la temperatura y la humedad. Además, controla procesos como la transpiración de las plantas, por ende, la radiación está involucrada en el desarrollo estomático de las hojas de las plantas. Se desarrolló un estudio enfocado en la influencia de este factor sobre las hojas de Mangifera indica con el fin de cuantificar los estomas de las hojas ubicadas en el sotobosque y el dosel de un árbol de la Universidad Nacional de Costa Rica. Se realizaron 30 impresiones de hojas expuestas directamente a la luz y 30 hojas con exposición indirecta. Se utilizó un microscopio para así fotografiar las muestras y contabilizar los estomas por unidad foliar. Mediante el método estadístico de T-student se concluye que existe una cantidad estomática significativamente diferente entre las muestras, ya que la cantidad estomática media presente en las hojas de la especie Mangifera indica es mayor en las hojas expuestas a la radiación solar de forma directa.

Palabras claves: densidad estomática, radiación solar, Mangifera indica, hojas, dosel, sotobosque.

Introducción

Mangifera indica es una especie de árbol que pertenece a la familia Anacardiaceae. Son árboles que alcanzan de 25 a 35 metros de altura. Se caracterizan por ser erectos, tener una copa generalmente simétrica con forma redondeada y presentar un sistema radical muy eficiente en la absorción de nutrientes. Esta especie forma parte de un grupo de árboles comúnmente llamados ¨siempre verde¨, es decir, sus hojas no caen con facilidad y son capaces de mantenerse en el árbol durante más de 2 años (Sergent, 1999). Las hojas son uno de los órganos más sensibles en responder a factores ambientales, por ejemplo la radiación solar (Trewavas, 2003). Radiación solar se define como el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol; este es un factor ambiental que influye de manera significativa sobre la vegetación, especialmente, en su desarrollo (Santa, 2000). La radiación solar es esencial en el funcionamiento de ecosistemas tanto a través del control de procesos biológicos ya sean la transpiración y fotosíntesis, como su efecto sobre otros factores ambientales como la temperatura y la humedad, así como en ciclos naturales; de manera que para que la radiación produzca alteraciones en la fisiología de plantas y árboles, esta debe penetrar sus hojas (Carrasco-Ríos, 2009). La transpiración es el intercambio gaseoso de CO2 y H2O que permite la absorción de nutrientes y está mediado por estructuras compuesta de una cámara subestomática (poro) que está rodeada de células oclusivas que se encuentran en la epidermis de la hoja; estas estructuras son llamadas estomas (Barrientes-Priego, Borys, Trejo y López-López, 2003). La radiación solar controla este proceso ya que la luz promueve la apertura de los estomas, así como su número por unidad foliar (Toral, Manríquez, Navarro-Cerrillo, Tersi y Naulin, 2010).
El tamaño de los estomas está frecuentemente relacionado con su densidad, por ejemplo hojas con estomas pequeños presentan alta cantidad estomática mientras que hojas con estomas grandes presentan una baja cantidad estomática (Lallana y Lallana, 2003). Debido a las funciones esenciales que cumplen los estomas en el desarrollo de las plantas y árboles, es importante saber de su cantidad y acerca de los factores que los controlan (Parés-Martinez, Arizaleta, Sanabria y Brito, 2004). Por consiguiente, este estudio se ha enfocado en cuantificar los estomas de la especie Mangifera indica presentes en hojas del dosel, las cuales reciben una radiación solar directa y las hojas presentes en el sotobosque, con menor radiación solar, con el fin de diferenciar el comportamiento entre hojas del estrato superior e inferior y el éxito de transpiración en cada estrato. Se llevó a cabo con base a un análisis cuantitativo y descriptivo del efecto que tiene la exposición lumínica de las hojas en relación a la cantidad estomática de estas.

Metodología

De la sede Omar Dengo de la Universidad Nacional de Costa Rica, se seleccionó un árbol que tuvieran hojas tanto expuestas a la radiación solar de forma directa en el dosel, como hojas con sombra, en el sotobosque Además, de preferencia las hojas debían ser hojas sin tricomas en la epidermis para un mejor desarrollo del procedimiento de este estudio. El árbol seleccionado con base a dichas condiciones está localizado en en el parqueo de la biblioteca Joaquín García Monge y pertenece a la especie Mangifera indica.
Utilizando un cortador de hojas altas, se tomó una muestra de 30 hojas de la parte superior de la copa del árbol, ya que estas eran las que estaban completamente expuestas a la luz solar en cuanto al dosel. Se tomó otra muestra de 30 hojas del sotobosque del árbol de Mangifera indica, ya que estas crecieron con sombra en las partes bajas del árbol (Tanaka, Sugano, Shimada, & Hara-Nishimura, 2013). En total, se colectaron 60 hojas al azar el 12 de octubre, 2017, entre las nueve y diez de la mañana para determinar su densidad estomática. Se tomaron impresiones de la huella de la superficie abaxial de las hojas con esmalte de uñas transparente. Al secarse el esmalte, las impresiones fueron colocadas en un portaobjetos con su respectivo cubreobjetos, separando hojas expuestas al sol de las que se encontraba en la sombra. Posteriormente, se examinaron las muestras bajo un microscopio de alta ampliación (40×) (Pérez, Rojas, & Melgarejo, 2010; Sánchez, Fischer, & Sanjuanelo, 2013). Se tomaron fotos de cada imagen del microscopio y utilizando la aplicación AmScope, se midió un área de 16.752 cm (altura: 3,69 cm y ancho:4,54 cm) en cada foto de estomas. A partir de esta área, se contó la densidad estomática (número de células por área de superficie) tanto de las 30 hojas obtenidas del dosel como de las 30 hojas del sotobosque.

Resultados

Primero se llamó la base de datos de la siguiente manera:

library(readxl)
cantidad <- read_excel("C:/Users/Usuario/Downloads/cantidad estomatica bioesta.xlsx")

Para eligir la prueba correcta se ultilizaron los siguientes comandos:

Se probó la normalidad de los datos

shapiro.test(cantidad$`Estomas en la sombra`)
## 
##  Shapiro-Wilk normality test
## 
## data:  cantidad$`Estomas en la sombra`
## W = 0.96119, p-value = 0.332
shapiro.test(cantidad$`Estomas con luz`)
## 
##  Shapiro-Wilk normality test
## 
## data:  cantidad$`Estomas con luz`
## W = 0.98175, p-value = 0.8699

Para determinar si las variables eran homogéneas o heterogéneas

var.test(cantidad$`Estomas en la sombra`,cantidad$`Estomas con luz`)
## 
##  F test to compare two variances
## 
## data:  cantidad$`Estomas en la sombra` and cantidad$`Estomas con luz`
## F = 1.3431, num df = 29, denom df = 29, p-value = 0.4319
## alternative hypothesis: true ratio of variances is not equal to 1
## 95 percent confidence interval:
##  0.6392498 2.8217659
## sample estimates:
## ratio of variances 
##           1.343061

Con base a los resultados anteriores se eligió una prueba de T-student

t.test(cantidad$`Estomas en la sombra`, cantidad$`Estomas con luz`, var.equal = T)
## 
##  Two Sample t-test
## 
## data:  cantidad$`Estomas en la sombra` and cantidad$`Estomas con luz`
## t = -5.2737, df = 58, p-value = 2.068e-06
## alternative hypothesis: true difference in means is not equal to 0
## 95 percent confidence interval:
##  -22.85481 -10.27852
## sample estimates:
## mean of x mean of y 
##  43.60000  60.16667

Adicionalmente se realizaron otras pruebas para la mejor comprensión de los datos

summary(cantidad$`Estomas en la sombra`)
##    Min. 1st Qu.  Median    Mean 3rd Qu.    Max. 
##    20.0    35.0    40.5    43.6    53.5    73.0
summary(cantidad$`Estomas con luz`)
##    Min. 1st Qu.  Median    Mean 3rd Qu.    Max. 
##   33.00   53.00   60.00   60.17   67.75   82.00
sd(cantidad$`Estomas con luz`)
## [1] 11.24058
sd(cantidad$`Estomas en la sombra`)
## [1] 13.02676

Figura 1. Cantidad de estomas de hojas en la sombra.

hist(cantidad$`Estomas en la sombra`,breaks ="Sturges", main = "Cantidad de estomas en la sombra", xlab = "Cantidad estomática", ylab = "Frecuencia")

Figura 2. Cantidad estomática de hojas expuestas a la luz directa.

hist(cantidad$`Estomas con luz`, breaks ="Sturges", main = "Cantidad de estomas en la luz", xlab = "Cantidad estomática", ylab = "Frecuencia")

Figura 3. Densidad estomática según la incidencia de la luz en el árbol de Mangifera indica.

a<-data.frame(cantidad$`Estomas con luz`,cantidad$`Estomas en la sombra`)
boxplot(a, xlab="Posición estomática",ylab="Cantidadestomática(µm)",main="Densidad estomática según la incidencia de la luz")

Se encontró que la cantidad estomática media presente en las hojas de la especie Mangifera indica, fue mayor en las que se encuentran más expuestas a la radiación solar (60± 11.24µm, n=30) en comparación con las que se encuentran en el sotobosque (40.5± 13.02µm, n=30) y reciben menos incidencia lumínica. Con base a los resultados obtenidos de las pruebas de shapiro.test (p-value>0.05 ) y var.test (p-value>0.05), se utilizó el método paramétrico t- student, el cual demuestra que la cantidad estomática fue significativamente diferente (t = -5.2737, df = 58, p-value <0.05).

Discusión

Los resultados obtenidos a partir de la prueba de Shapiro muestran que los datos siguen una distribución normal y, por lo tanto, las variables aleatorias estudiadas tienen una función de densidad que sigue la curva de distribución de Gauss (Wayne, 2005). Además, se comprobó mediante el test de varianzas (var.test) que existe una homocedasticidad entre los datos entre ambas variables. Posteriormente, al aplicar la prueba de T-Student (p-value<0.05), lo que conduce a afirmar que la exposición directa e indirecta de la luz del sol, única variable entre ambas muestras, afecta significativamente la densidad estomática de las hojas tanto las que se tomaron del dosel como las del sotobosque. En las hojas del dosel hay mayor cantidad de estomas (Fig 1 y 2) con un promedio de 50 a 70 estomas en comparación con los estomas cuantificados en las hojas de sotodosel con un promedio de 30 a 40 . En general, el estrato superior presenta mínimo sombrío mutuo García (2014), lo que se entiende como, hojas con mayor exposición directa; favoreciendo el crecimiento temprano de las hojas en la parte superior con gran desarrollo estomático. Por el contrario, las hojas encontradas en el estrato inferior, están expuestas al sol de manera indirecta, por lo que se puede observar que la densidad estomática decrece a medida que disminuye la radiación lumínica directa del sol sobre las hojas. La luz es la señal ambiental que controla el movimiento de los estomas de las hojas de plantas con suficiente irrigación en ambientes naturales; cada estoma se abre cuando la intensidad de la luz aumenta y se cierra cuando disminuye (Hernández, 2013), lo que explica la diferencia en cuanto a la densidad estomática en ambas muestras (Fig 3).

Referencias bibliográficas

Barrientos Priego, A., Borys, M., Trejo, C., & López, L. (2003). Índice y densidad estomática foliar en plántulas de tres razas de aguacatero. Revista Fitotecnia Mexicana, 26 (4), 291-299.

Carrasco-Ríos, Libertad. (2009). Efecto de la Radiación Ultravioleta-B en Plantas. Idesia (Arica), 27(3), 59-76.

Hernández-Gil R. (2013). Transpiración. Forest ULA. Recuperado de: http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/transpiracion/

Lallana, V. H., & Lallana, M. D. C. (2004). Densidad estomática en hojas de Eryngium horridum Malme y su relación con el estado de desarrollo de las hojas. Revista de investigaciones de la Facultad de Ciencias Agrarias- UNR.

Perés-Martínez, J., Arizaleta, M., Sanabria, M., & Brito, L. (2004). Características de los estomas, densidad e índice estomático y su variación en función a la injestación en Annona muricata L. y A. montana MADFAC. Bioagro, 16(3), 213-218.

Pérez, L.V.; Rojas, Y.A.; & Melgarejo, L.M. 2010. Agua. En: Melgarejo, L.M. (Ed.) Experimentos en fisiología vegetal. Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. p.63-77.

Restrepo-Diaz, H., Lombardini, L., & Volder, A. (2009, May). Caracterización morfológica y fisiológica de hojas de luz y de sombra en nogal pecanero. In Congreso Ibérico de Ciencias Hortícolas. Logroño, Spain.

Sánchez, C.; Fischer, G.; & Sanjuanelo, D.W. 2013. Stomatal behavior in fruits and leaves of the purple passion fruit (Passiflora edulis Sims) and fruits and cladodes of the yellow pitaya [Hylocereus megalanthus (K. Schum. ex Vaupel) Ralf Bauer]. Agron. Colomb. 31(1):38-47.

Santa. R. (2000). Desarrollo de vegetación y radiación solar que incide en laderas de la sierra de Béjar, Salamanca (España). Pirineos, [S.l.]. 155, 59-74.

Sergent. E. (1999). El cultivo del mango (Mangifera Indica L.). Caracas, Venezuela: Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico.

Tanaka, Y., Sugano, S. S., Shimada, T., & Hara-Nishimura, I. (2013). Enhancement of leaf photosynthetic capacity through increased stomatal density in Arabidopsis. New Phytologist, 198(3), 757-764.

Toral, M., & Manríquez, A., & Navarro-Cerrillo, R., Tersi, D., & Naulin, P. (2010). Características de los estomas, densidad e índice estomático en secuoya (Sequoia sempervirens) y su variación en diferentes plantaciones de Chile. Bosque, 31 (2), 157-164.

Trewavas, A. (2003). Aspects of Plant Intelligence. Annals of Botany. 92(1), 1-20.