1. Universidad Nacional de Costa Rica, Heredia, Costa Rica; , , , *Correspondencia

Resumen.

Introducción: Las plantas resultaron ser organismos que pueden verse afectados por el sonido, y al ser expuestas a determinada frecuencia sonora se puede mejorar o deteriorar su desarrollo. Objetivo: Evaluar el efecto producido por tres frecuencias sonoras distintas en el crecimiento de Solanum lycopersicum. Metodología: Se dividieron 160 semillas de S. lycopersicum en cuatro grupos de 40, uno por tratamiento con frecuencia sonora, y se sometieron a 2 horas diarias de sonido durante 4 semanas. Se midieron semanalmente la altura del tallo y la longitud y cantidad de hojas, y finalmente la longitud de la raíz y el peso seco. Las variables semanales se analizaron con un ANOVA de dos vías combinando factores, y las finales con un ANOVA de una vía. Resultados: Para las variables semanales longitud de hoja y tallo, se encontraron diferencias significativas en el tratamiento a baja frecuencia con respecto a los demás tratamientos; el tratamiento a alta frecuencia presentó el menor crecimiento; no hubo diferencias significativas entre control y frecuencia media. No hubo diferencias significativas entre tratamientos para cantidad de hojas. Para la variable final longitud de raíz, el mayor crecimiento se mantuvo a baja frecuencia, seguido por alta frecuencia. El mayor peso seco se mantuvo para baja frecuencia y el menor para alta frecuencia. Discusión: El mayor crecimiento se mantuvo siempre para las plantas expuestas a baja frecuencia, por lo que dicho tratamiento resulta ser beneficioso para S. lycopersicum. Por otra parte, el tratamiento a alta frecuencia resultó agresivo para su crecimiento, mientras que una frecuencia media puede asemejarse al sonido ambiente de control, y mantener un crecimiento estable.

Palabras clave: Solanum lycopersicum, frecuencia sonora, estrés vegetal, crecimiento vegetal.

Introducción.

La energía sonora, al igual que la lumínica, se transporta en el medio a través de ondas, las cuales son una perturbación en movimiento que transporta energía. Muchas ondas son periódicas, es decir, están compuestas por largos trenes de perturbaciones idénticas, formados por crestas y valles. La distancia entre crestas sucesivas de la onda está determinada por la longitud de onda (λ), y esta se encuentra estrechamente ligada a la frecuencia. La frecuencia es el número de ciclos completos por unidad de tiempo y se mide en unidades Hertz (Hz), siendo 1 Hz 1 ciclo por segundo; en una onda sonora, la frecuencia puede definirse como el número de ciclos de onda completos que pasan por una posición fija en cada unidad de tiempo (Rex & Wolfson, 2011).

Las plantas, aunque se percibían como organismos “sordos”, resultan ser organismos que pueden verse afectados por el sonido, específicamente a la frecuencia a la cual este se genera, afectando positiva o negativamente su desarrollo. Una planta puede identificar el sonido del agua y redireccionar el crecimiento de sus raíces hacia esta, o discernir el sonido de un insecto que amenaza sus hojas y generar una respuesta de defensa (Gagliano, Grimonprez, Depczynski & Renton, 2017). Las plantas expuestas a una frecuencia sonora concreta pueden incrementar la producción de metabolitos beneficiosos, mejorando su crecimiento y su resistencia ante parásitos y depredadores, razón por la cual este método se vislumbra como una alternativa para mejorar la producción agrícola. (Fernandez, Duarte, Garcia, Jimenez & Contreras, 2018). Del mismo modo, el ser expuestas a frecuencias más agresivas puede impactar negativamente en las respuestas de crecimiento vegetal.

Solanum lycopersicum, comúnmente conocida como tomate, es una planta dicotiledónea y herbácea, de tallo verde y pubescente y hojas compuestas. Es la hortaliza más consumida y de mayor valor económico mundialmente, cultivado en más de 100 países. En Costa Rica es la de mayor siembra y consumo a nivel nacional (López, 2016). Por esto, el propósito de la presente investigación fue evaluar el efecto producido por tres frecuencias sonoras distintas, determinando si estas impactaron de manera positiva o negativa en el crecimiento de tomate cherry.

Materiales Y Métodos

Zona de estudio

El experimento se llevó a cabo en el sector de Mercedes Sur, en la provincia de Heredia (10°00’25.0“N 84°08’02.2”O), a una altitud de 1095 msnm. Esta zona presenta una temperatura promedio de 20,7 °C y una precipitación de 2183 mm al año. La mayor parte de la precipitación aquí cae en septiembre, promediando 380 mm.

Diseño experimental

Para llevar a cabo el experimento se sembraron un total de 160 semillas de S. lycopersicum, y se dividieron en cuatro grupos de 40, uno para cada tratamiento. La semillas se sembraron en semilleros de plástico utilizando el mismo tipo de tierra para todas. Los cuatro grupos se colocaron en el mismo lugar, bajo las mismas condiciones de temperatura, humedad, agua y luz solar. Se establecieron cuatro tratamientos de frecuencia de sonido, uno para cada grupo. El tratamiento control fue con sonido ambiente, sin aplicarle ningún sonido adicional. Los otros tres tratamientos se clasificaron por frecuencia baja (400 Hz), media (4400 Hz) y alta (8400 Hz). Las plantas iniciaron el tratamiento hasta que apareció el primer brote; para esto, se construyó un sistema de acondicionamiento de sonido, para que la frecuencia emitida para cada grupo respectivo se concentrara en el área de crecimiento de las plantas, se rodearon con estereofón grueso con algunas pequeñas aberturas que permitieran la entrada de aire, y se cubrieron con una lámina de zinc transparente que permitiera la entrada de luz solar. Se utilizaron parlantes inalámbricos para reproducir las respectivas frecuencias de cada tratamiento. Estos se colocaron dentro de cada aislamiento a reproducir dos horas al día, una hora en la mañana y otra hora en la noche, durante cuatro semanas.

Variables semanales

Se contó la cantidad de hojas compuestas, incluyendo los cotiledones iniciales. Además, se seleccionó la primera hoja en aparecer y se utilizó una regla en centímetros para medir su longitud guiándose por la vena media; se midió la longitud de tallo con la misma herramienta, desde la base hasta llegar al primer peciolo.

Variables finales

Pasadas las cuatro semanas se extrajeron las plantas de sus respectivos semilleros y se lavaron sus raíces con agua para eliminar cualquier residuo de tierra presente, seguidamente se midió la longitud de la raíz más larga con la misma regla en centímetros. Posteriormente cada planta se colocó individualmente en una bolsa de papel para su secado, se dejaron en un horno por tres días a 60 °C y al concluir este tiempo se midió su peso seco con una balanza.

Análisis estadístico

Para cada una de las comparaciones realizadas se evaluó la normalidad de los residuos según la prueba de Shapiro y la homogeneidad de varianzas según Fligner, por lo tanto se decidió utilizar un ANDEVA no paramétrico Kruskall-Wallis de una vía combinando los factores semana y frecuencia, y otro ANDEVA no paramétrico de una vía para cada una de las variables finales.

#Variables semanales
Tomates$Semana_Intensidad <- paste(Tomates$Semana, Tomates$Intensidad, sep=" + ")
str(Tomates)

#Longitud de hoja.
A <- aov(Tomates$`Longitud hoja (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
summary(A)
shapiro.test(A$residuals)
fligner.test(Tomates$`Longitud hoja (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
kruskal.test(Tomates$`Longitud hoja (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
pairwise.wilcox.test(Tomates$`Longitud hoja (cm)`, Tomates$Semana_Intensidad, p.adjust.method = "b")
boxplot(Tomates$`Longitud hoja (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
round(tapply(Tomates$`Longitud hoja (cm)`,Tomates$Semana_Intensidad,mean),3)
round(tapply(Tomates$`Longitud hoja (cm)`,Tomates$Semana_Intensidad,sd),3)

#Longitud de tallo
B <- aov(Tomates$`Longitud tallo (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
shapiro.test(B$residuals)
fligner.test(Tomates$`Longitud tallo (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
kruskal.test(Tomates$`Longitud tallo (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
pairwise.wilcox.test(Tomates$`Longitud tallo (cm)`, Tomates$Semana_Intensidad, "b")
boxplot(Tomates$`Longitud tallo (cm)` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
round(tapply(Tomates$`Longitud tallo (cm)`,Tomates$Semana_Intensidad,mean),3)
round(tapply(Tomates$`Longitud tallo (cm)`,Tomates$Semana_Intensidad,sd),3)

#Cantidad de hojas
C <- aov(Tomates$`Cantidad hojas`~ Tomates$Semana_Intensidad)
summary(C)
shapiro.test(C$residuals)
fligner.test(Tomates$`Cantidad hojas`~ Tomates$Semana_Intensidad)
kruskal.test(Tomates$`Cantidad hojas`~ Tomates$Semana_Intensidad)
pairwise.wilcox.test(Tomates$`Cantidad hojas`, Tomates$Semana_Intensidad, p.adjust.method = "b")
boxplot(Tomates$`Cantidad hojas` ~ Tomates$Semana_Intensidad)
round(tapply(Tomates$`Cantidad hojas`,Tomates$Semana_Intensidad,mean),3)
round(tapply(Tomates$`Cantidad hojas`,Tomates$Semana_Intensidad,sd),3

#Variables finales.

attach(TomatesFinales)

IntenF<- as.factor(Intensidad)
is.factor(IntenF) #True

#Longitud raíz 
D<- aov(`Longitud raíz (cm)`~IntenF,data = TomatesFinales)
summary(D)
shapiro.test(resid(D))
tapply(`Longitud raíz (cm)`,IntenF,length)
fligner.test(`Longitud raíz (cm)`,IntenF)
kruskal.test(`Longitud raíz (cm)`~IntenF)
pairwise.wilcox.test(`Longitud raíz (cm)`,IntenF,p.adjust.method = "b",exact=F)
boxplot(`Longitud raíz (cm)`~IntenF,data = TomatesFinales)
round(tapply(`Longitud raíz (cm)`,IntenF,mean),3)
round(tapply(`Longitud raíz (cm)`,IntenF,sd),3)

#Peso seco
E<- aov(`Peso seco (g)`~IntenF,data= TomatesFinales)
summary(E)
shapiro.test(resid(E))
tapply(`Peso seco (g)`,IntenF,length)
fligner.test(`Peso seco (g)`,IntenF)
kruskal.test(`Peso seco (g)`~IntenF)
pairwise.wilcox.test(`Peso seco (g)`,IntenF,p.adjust.method = "b",exact=F)
boxplot(`Peso seco (g)`~IntenF,data = TomatesFinales)
round(tapply(`Peso seco (g)`~IntenF),3)
round(tapply(`Peso seco (g)`~IntenF,IntenF,sd),3)

Resultados

Variables semanales

En las primeras dos semanas de tratamiento no se observaron diferencias significativas en ninguna de las variables semanales, en ninguno de los tratamientos. A partir de la semana 3 las plantas expuestas al tratamiento de frecuencia baja presentaron valores mayores al resto de tratamientos, tanto en longitud de tallo como en longitud y cantidad de hojas. También se evidenció que las plantas expuestas a las frecuencias altas presentaron un menor crecimiento con respecto a los demás tratamientos. Los tratamientos de frecuencia media y control no presentaron diferencias significativas entre sí. (Cuadro 1)

Variables finales

Para la variable longitud de raíz, se encontró que el crecimiento fue mayor en el tratamiento de baja frecuencia (16.224 + 4.765), seguido del de frecuencia alta (14.217 + 6.383), control (10.110 + 2.440) y por último frecuencia media (9.841 + 2.316) de manera significativa (Chi = 57.949; gl = 3; p<0.05) mediante la prueba no paramétrica Kruskal-Wallis. Estos resultados se obtuvieron a través de un ANOVA de una vía, para lo cual se realizó una prueba de normalidad según Shapiro (p<0.05) y una prueba de homogeneidad de varianza según Fligner (p<0.05). Se realizó la prueba a posteriori de Wilcoxon con el método Bonferroni para determinar entre cuáles tratamientos hubo diferencias, y se encontraron diferencias significativas entre alta-baja (p<0.05), alta-control (p<0.05), alta-media (p<0.05), baja-control (p<0.05) y baja-media (p<0.05), pero no significativas entre control-media (p>0.05).

Con respecto a la variable peso seco, se encontró cierta variación con respecto a la variable anterior, siendo mayor el tratamiento de baja frecuencia (0.134 + 0.138), seguido por control (0.072 + 0.034), frecuencia media (0.059 + 0.031) y finalmente el tratamiento a alta frecuencia (0.043 + 0.022) de manera significativa (Chi = 42.705; gl = 3; p<0.05) mediante la prueba no paramétrica Kruskal-Wallis. Del mismo modo, se realizó un ANOVA de una vía realizando una prueba de normalidad según Shapiro (p<0.05) y una prueba de homogeneidad de varianza según Fligner (p<0.05). También se realizó una prueba a posteriori de Wilcoxon con el método Bonferroni, y se encontraron diferencias significativas entre alta-baja (p<0.05), alta-control (p<0.05), baja-control (p<0.05) y baja-media (p<0.05), pero no significativas entre alta-media (p>0.05) y control-media (p>0.05). Figura 1. Comparación de variables finales según la frecuencia aplicada (alta, baja, control y media) mediante un ANOVA de una vía.

Discusión

Respecto a la cantidad de hojas obtenidas se sigue lo dicho por Hassanien, Thian-Zen, Yu-feng & Bao-ming (2014), quienes afirman que para las plantas de tomate, además de las de lechuga y espinaca, el rango de frecuencias óptimo para un mayor número de hojas oscila entre los 80 y 2000 Hz. La frecuencia baja elegida se mantuvo dentro de este rango produciendo así una mayor cantidad de hojas en la semana 3 y 4, mientras que la media y la alta lo sobrepasaron, causando lo contrario. La longitud de hoja mantiene el mismo patrón que las anteriores variables donde las planta con tratamiento de frecuencia baja fueron las que presentaron mayor longitud de hoja y el tratamiento de frecuencia alta presentó hojas menos desarrolladas. La presencia de mayor superficie foliar permite a la planta poder realizar más fotosíntesis lo que se traduce en un mejor crecimiento de la planta. Esto explica también el mayor desarrollo presentado por las plantas expuestas a frecuencias bajas. Las plantas de tratamiento de frecuencia medio y control mantuvieron medidas similares.

Se continuó observando el mismo comportamiento en cuanto a la longitud de tallo, las plantas de frecuencia baja presentaron los tallos más largos y las de frecuencia alta los más cortos, mientras que las de control y frecuencia media se mantuvieron similares en medio de los grupos anteriores. Esto pudo deberse a que una frecuencia externa similar a la frecuencia interna emitida por las propias células puede estimular su crecimiento, intensificando su metabolismo y acelerando su reproducción, mientras que frecuencias mucho más altas pueden, por el contrario, frenarlo (Bochu, Xin, Zhen, Qizhong, Hao & Liang, 2003).

Una razón que podría explicar por qué no hubo diferencia entre las plantas de frecuencia media y las plantas de control, es debido a que la frecuencia del ambiente era muy parecida a la frecuencia media elegida, y al recibir casi el mismo estímulo, presentaron resultados similares. Además, la razón por la cual los cambios se notaron a partir de la tercera semana puede ser que en ese momento está justo en la mitad de su periodo de crecimiento vegetal, y ya desarrolló sus partes aéreas (López, 2016), las cuales reciben la mayoría de las ondas sonoras.

Nuevamente, las plantas de frecuencia baja obtuvieron valores mayores en cuanto a la longitud de raíz. No obstante, hubo un cambio en el patrón de las plantas de frecuencia alta, las cuales esta vez tuvieron raíces más largas que las plantas de frecuencia media y control. Yi et al (2003) afirmaron que una frecuencia menor a 1000 Hz puede estimular el crecimiento total de raíces, tanto ancho como largo, a partir de los 15 días de exposición al sonido, mientras que entre más sobrepase una frecuencia de 5000 Hz, mayor longitud causará en las raíces. En cuanto al peso seco se obtuvo lo esperado, ya que las frecuencias bajas al estimular el crecimiento en las plantas, provocan también un incremento en su masa, y lo contrario para las plantas de frecuencia baja (Yiyao, Wang, Xuefeng, Chuanren & Sakanishi, 2002). Sin embargo, no hubo diferencia entre los pesos de los otros tres grupos, probablemente porque antes de iniciar su secado las plantas de media y control perdieron algunas de sus hojas, lo que representaba la mayoría de su masa.

Al analizar todo lo anterior se puede afirmar que existe un rango óptimo para la estimulación del crecimiento de tomate, que va desde los 80 hasta los 1000 Hz, en el que se va a producir un estrés positivo en la planta, que se va a ver reflejado en su crecimiento. Mientras las frecuencias medias, cercanas a 4000 Hz, no provocan algún efecto apreciable en la planta. Por último, frecuencias cercanas a 8000 Hz van a provocar un estrés dañino en las plantas de tomate que va a retardar su crecimiento.

Referencias

Bochu, W., Xin, C., Zhen, W., Qizhong, F., Hao, Z., & Liang, R. (2003). Biological effect of sound field stimulation on paddy rice seeds. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 32(1), 29-34.

Fernandez, A. A., Duarte, C., Garcia, L., Jimenez, S. N., & Contreras, L. M. (2018). Effects of acoustic waves on plants: An agricultural, ecological, molecular and biochemical perspective. Scientia Horticulturae, 235(1), 340-348.

Gagliano, M., Grimonprez, M., Depczynski, M., & Renton. M. (2017). Tuned in: plant roots use sound to locate water. Oecologia, 184(1), 151–160.

Hassanien, R., Tian-zhen, H., Yu-feng, L., & Bao-ming, L. (2014). Advances in Effects of Sound Waves on Plants. Journal of Integrative Agriculture, 13(2), 335-348.

López, L. (2016). Manual técnico del cultivo de tomate. Recuperado de: https://www.mag.go.cr/

Rex, A., & Wolfson, R. (2011). Fundamentos de Física. Madrid, España: Pearson Education S.A.

Yi, J., Bochu, W., Xiujuan, W., Daohong, W., Chuanren, D., Toyama, Y., & Sakanishi, A. (2003). Effect of sound wave on the metabolism of chrysanthemum roots. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 29(2-3), 115–118.

Yiyao, L., Wang, B., Xuefeng, L., Chuanren, D., & Sakanishi, A. (2002). Effects of sound field on the growth of Chrysanthemum callus. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 24(3–4), 321-326.