Estudio y modelización del proceso de germinación de semillas de triticale sometidas a tratamiento magnético

Resumen

El efecto beneficioso de los campos magnéticos sobre especies vegetales está, en líneas generales, aceptado por la comunidad científica. Sin embargo, se ha puesto escasa atención sobre los cereales, en especial sobre el triticale. El triticale es cultivado en cerca de 40 países a lo largo del globo, aunque la producción está muy concentrada en Europa con un valor cercano al 90%. España ocupa la sexta posición a nivel mundial (FAOSTAT, 2020). En un contexto actual en el que la sociedad está cada vez más concienciada con el cambio climático y la contaminación del medio, los campos magnéticos constituyen una técnica inocua y de bajo coste que permite reducir la dependencia en fertilizantes. Por otro lado, en los últimos años ha aparecido un gran interés a nivel mundial por la observación y el análisis del proceso de germinación de semillas con vistas a introducir mejoras en esta fase y lograr una cosecha, un trasplante o una multiplicación vegetal más tempranas en los días siguientes. Desplazando entonces el enfoque tradicional centrado en el estudio de las condiciones de la planta cuando se encuentra en su fase de crecimiento. El fin principal de esta tesis fue estudiar en laboratorio diversos parámetros relacionados con la germinación de semillas de triticale, efectuando siempre una comparación entre los valores obtenidos por las semillas tratadas magnéticamente (magneto-priming) y sin tratar. La temática escogida constituye por tanto una unión entre la física y el mundo vegetal. Los objetivos fijados a alcanzar fueron, entre otros: estudiar la influencia del pretratamiento de semillas de triticale con campos magnéticos generados por un tándem bobina - fuente de alimentación modificando la intensidad de corriente, temperatura del medio y tiempo de aplicación; modelizar el proceso de absorción de agua por parte de las semillas a diferentes temperaturas y estudiar su nivel de coincidencia con los modelos de absorción existentes, como el modelo de Peleg; estudiar la influencia de soluciones osmóticas, con el uso de sustancias como el polietilenglicol, que modifican el potencial hídrico del medio de la semilla y modelizar el proceso de germinación en este medio mediante el modelo de hidrotiempo; estudiar otros modelos como el de termotiempo, hidrotermotiempo y magnetotiempo o tiempo magnético, con especial énfasis en este último, dado que presenta un número sustancialmente menor de publicaciones con respecto a los otros y, por último, utilizar las técnicas espectroscópicas de Raman y cámara hiperespectral para ver los efectos de los campos magnéticos, el agua y diversas soluciones osmóticas sobre los componentes de las semillas de triticale. El trabajo está estructurado según la modalidad por compendio de publicaciones, que para mayor coherencia, han sido ordenadas siguiendo el índice del trabajo y el orden cronológico de realización de los ensayos, lo cual no necesariamente coincide con el orden en que fueron publicadas. La parte experimental se dividió en tres tipos de ensayos efectuados con las semillas de triticale: de germinación, de absorción y utilizando técnicas espectroscópicas. A su vez, los ensayos de germinación fueron de cuatro tipos: triticale sometido a magneto-priming, triticale sometido a magneto-priming y estrés hídrico y salino, modelización del proceso de germinación mediante el método de hidrotiempo y modelización del proceso de germinación mediante el método de magnetotiempo o tiempo magnético. Los ensayos de absorción constaron de una estructura parecida, se estudió, por un lado, la absorción del triticale sometido a magneto-priming y, por otro a magneto-priming y estrés hídrico y salino, y sus respectivas modelizaciones. Por último, se realizaron ensayos utilizando las técnicas de Raman y cámara hiperespectral. Comenzando por los ensayos de germinación, se realizaron, primeramente, cinco a diferentes temperaturas para comparar la actuación de semillas sometidas a magneto-priming y semillas control mediante diferentes parámetros germinativos. Los dos primeros sirvieron para detectar posibles errores en el procedimiento o identificar factores que podían modificarse en los siguientes. En estos ensayos también se determinó el tiempo a partir del cual el pretratamiento magnético es efectivo en la germinación. Posteriormente, se estudió en otro ensayo la influencia conjunta del magneto-priming y el estrés hídrico y salino sobre la germinación de semillas de triticale. El análisis de resultados arrojó que el magneto-priming claramente beneficia la germinación, sobre todo cuando el estrés está provocado por NaCl. En tercer lugar, se realizó un ensayo para estudiar la idoneidad del modelo de hidrotiempo sobre las semillas de triticale. Este modelo, propuesto por Bradford y ampliamente utilizado por muchos investigadores, asume que la tasa de germinación de un conjunto de semillas es función lineal y exclusiva del potencial hídrico del medio y sirve para predecir dicha tasa para una especie vegetal en concreto. El ensayo se efectúo habiendo fijado previamente varios niveles de estrés hídrico. El análisis de los resultados determinó que el modelo de hidrotiempo es aplicable a las semillas de triticale obteniendo altos valores de R2 (0,85). Como resultado de esta experimentación se publicó el artículo “Germination performance and hydro-time model for magneto-primed and osmotic-stressed Triticale seeds” en la revista Romanian Journal of Physics en el año 2020. Publicación A. Por último, al haberse obtenido muy buenos resultados con las semillas sometidas a magneto-priming, se consideró que era adecuado realizar un ensayo con vistas a determinar la idoneidad del modelo de tiempo magnético -análogo al de hidrotiempo- en semillas de triticale, encuadrado también dentro de los ensayos de germinación. El modelo consiste en suponer que todos los factores que afectan a la germinación se mantienen constantes y sólo es variable la intensidad de campo magnético. Se obtuvo un valor de R2 superior al 98%, lo que indica que el modelo explica perfectamente el proceso de germinación de semillas de triticale. Además, se calcularon otras constantes asociados al modelo, así como diferentes parámetros relacionados con la germinación ya vistos en ensayos previos. Con todo esto se publicó el artículo “Magnetic-time model for triticale seed germination” en la revista Romanian Journal of Physics en el año 2019, publicación I de esta tesis. A continuación se realizaron los ensayos de absorción, divididos en dos grupos: ensayos de semillas de triticale sometidas únicamente a magneto-priming y ensayos con semillas sometidas a magneto-priming y estrés hídrico. En relación con el primer grupo, se realizaron tres ensayos de absorción de agua para, por un lado, modelizar el fenómeno de absorción en semillas de triticale y, por otro, estudiar la posible influencia del magneto-priming en este contexto. A continuación se comprobó el nivel de coincidencia de los datos obtenidos con el modelo de absorción de Peleg, siendo siempre los valores de R2 superiores al 97%. Se estudiaron varios modelos presentes en la bibliografía, pero se escogió finalmente el citado, por su relativa simplicidad y su éxito en predecir las curvas de absorción de numerosas semillas y frutos. En base a esto y junto con los resultados que se habían obtenido en los cinco primeros ensayos de germinación con semillas sometidas a magneto-priming, se publicó en el año 2019 el artículo “The use of Peleg's equation to model water absorption in Triticale (X Triticosecale Wittmack) seeds magnetically treated before soaking” en la revista Romanian Journal of Physics, la publicación II que forma parte de esta tesis. Continuando con el segundo tipo de ensayos de absorción, se realizaron dos con vistas a estudiar la absorción de agua en semillas sometidas a estrés hídrico y salino utilizando disoluciones con diferentes concentraciones de PEG y NaCl para generar diferentes valores de potencial (cuanto menor fuera esa magnitud en una disolución, las semillas estaban sometidas a mayor estrés). Se apreció, una vez más, que el magneto-priming es una técnica que actúa de forma beneficiosa en las semillas, haciendo que absorban más agua en condiciones adversas (bajo estrés hídrico y salino en este caso). Se observó que el magneto-priming es más efectivo en semillas que están en contacto con NaCl que con PEG. Por último, cuanto menor era el potencial hídrico del medio, menor era la cantidad de agua que absorbía la semilla. Las curvas de absorción obtenidas bajo PEG y NaCl se ajustaban muy bien a un modelo logarítmico (R2 > 0,95 en todos los casos) y también al ya descrito modelo de Peleg (R2 > 0,9 en la mayoría de los casos). Los resultados de esta experimentación dieron lugar al artículo “Effects of polyethylene glycol and sodium chloride stress on water absorption of magneto-primed triticale seeds” publicado en la revista Romanian Reports in Physics en 2020, publicación III que forma parte de esta tesis. Una vez había sido completado el estudio de la absorción de agua y germinación en semillas de triticale bajo distintas condiciones, se prosiguió con un análisis más exhaustivo a nivel celular de los efectos que tenía el fenómeno de magneto-priming y el estrés hídrico. Este estuvo integrado por los ensayos en los que se utilizaron técnicas espectroscópicas: Raman y cámara hiperespectral. Estas técnicas, grosso modo, permiten analizar la presencia o no de multitud de sustancias químicas en la semilla estudiada utilizando radiación electromagnética que incide sobre la muestra, la cual se ve alterada por multitud de procesos hasta convertirse en la luz respuesta, la que, por así decirlo, devuelve la muestra. Se realizaron dos ensayos en cada técnica. De los ensayos utilizando Raman, se extrajo como conclusión que el uso de esta técnica junto con el magneto-priming es un método apropiado para obtener y analizar información de los componentes clave presentes en las semillas de triticale, tanto si estaban sometidas a estrés hídrico y salino como si no. Publicaciones B y C: “Magneto-primed Triticale seeds studied by Micro-Raman spectra” y “Micro-Raman spectroscopy characterization of magneto-primed and drought-stressed Triticale seeds” Finalmente, usando la cámara hiperespectral se obtuvieron conclusiones igualmente positivas, la reflectancia espectral en el segmento 400-1100 nm resultó claramente beneficiada por el magneto-priming aplicado en las semillas de triticale y esta técnica constituye un método adecuado para explorar la estructura de la semilla y para hacer distinciones entre semillas sin someter y sometidas a estrés hídrico y salino. Publicación D: “Application of hyperspectral imaging in the assessment of drought and salt stress in magneto-primed Triticale seeds”