Caracterización de la respuesta fisiológica de tres variedades de papa (Solanum tuberosum L.) bajo condiciones de estrés por déficit hídrico

Abstract

En esta tesis se evalúo la respuesta fisiológica, bioquímica y de fenología de tres variedades colombianas de papa (Solanum tuberosum L.) sometidas a déficit hídrico y rehidratación. La hipótesis planteada fue que con base en el comportamiento de las variedades en las zonas de producción, las tres variedades de Solanum tuberosum L. presentarían respuesta diferencial a un período de déficit hídrico por suspensión del riego. El objetivo de este estudio fue determinar el comportamiento fisiológico, bioquímico y de fenología de plantas de tres variedades colombianas de S. tuberosum L. frente a déficit hídrico y la rehidratación. El experimento se estableció en invernadero de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá a coordenadas geográficas 4°35’56’’57 LN y 74°04’51’’30 LO y altitud de 2.600 msnm. Para ello, los tratamientos se dispusieron en el arreglo de parcelas divididas bajo el diseño de bloques completos al azar con tres repeticiones; en la parcela principal se ubicaron las variedades y en la subparcelas el estado hídrico (déficit hídrico o irrigado). Se evaluaron tres variedades Andinas de S tuberosum L: Diacol Capiro, Pastusa Suprema y Esmeralda. Las plantas irrigadas mantuvieron el Ψh foliar en valores cercanos a 0 MPa durante todo el ciclo de vida. El tratamiento de déficit hídrico se impuso por suspensión de riego a los 74 días después de siembra (dds) durante el estado de inducción de tuberización. El estrés hídrico se aplicó en un período corto de tiempo, 4 a 6 días, hasta alcanzar en el suelo valores cercanos a -45 Kilopascales, que son considerados como causantes de estrés hídrico en papa. El nivel de estrés también se determinó midiento el potencial hídrico foliar (Ψh) hasta valores más negativos a -1.6 MPa, como el punto de marchitez permanente del suelo para plantas de papa, por ello el tratamiento de déficit hídrico se aplicó hasta alcanzar un Ψh cercano a -2.0 MPa, después de lo cual las plantas fueron rehidratadas. Se evalúo el comportamiento de parámetros fisiológicos como potencial hídrico (Ψh) foliar, contenido relativo de agua (CRA), fotosíntesis neta (A), la conductancia estomática (gs), transpiración (E), eficiencia intrínseca en el uso de agua (WUEi), parámetros relacionados con la fluorescencia de la clorofila como rendimiento máximo del quantum del PSII (Fv/Fm), tasa de transporte de electrones (TTE), eficiencia cuántica efectiva del fotosistema II (Y(II)), coeficiente de disipación fotoquímica (qP) y coeficiente de disipación no fotoquímica (NPQ), la concentración de clorofila a (CHa), clorofila b (CHb), clorofila total y carotenoides (Car), temperatura de la hoja y parámetros de crecimiento y rendimiento. Igualmente, se deteminó la actividad de enzimas del sistema antioxidante Catalasa y Peroxidasa y compuestos asociados con ajuste osmótico como prolina y azúcares reductores; además se determinó el contenido total de azúcares y proteína. Paralelamente, se hizo la descripción de los estados fenológicos principales de desarrollo relacionados con la acumulación de grados día crecimiento (GDC) requeridos para alcanzar cada estado fenológico particular en las tres variedades de papa sometidas a los tratamientos. Las más drásticas reducciones al máximo nivel de déficit hídrico con respecto a las plantas irrigadas, se registraron en el contenido relativo de agua (CRA) 19.01% (P. Suprema), la fotosíntesis neta (A) con el 100% del control (Esmeralda), la conductancia estomática (gs) con el 97.6% (Esmeralda), la transpiración (E) con el 82.32% (D. Capiro), la eficiencia en el uso de agua intrínseca (WUEi) con el 9.78% del control (D. Capiro), y el rendimiento de tubérculos por planta con el 19.46% (Esmeralda); así mismo, aunque el déficit hídrico indujo incrementos en la temperatura de la hoja y la pérdida de electrolitos de las 3 variedades, los más altos fueron para D. Capiro y P. Suprema respectivamente. Después de 1 día de rehidratación, el 100% de recuperación lo alzanzaron los parámetros: CRA para D. Capiro, A para Esmeralda, gs y E para D. Capiro y Esmeralda, EUAi para Esmeralda, Fv/Fm para P. Suprema, temperatura de la hoja para D. Capiro, pérdida de electrolitos en las tres variedades. Igualmente, se demostró que en las tres variedades, el déficit hídrico indujo incrementos significativos (P≤0.01) en la pérdida de electrolitos, el contenido de Malondialdehido, las enzimas antioxidantes como Catalasa y Peroxidasa, compuestos asociados con ajuste osmótico como prolina, azúcares reductores, azúcares totales y proteína total. En adición, se estableció que la duración del ciclo de vida de las plantas de las tres variedades fue de 148 días, con requerimiento de 1850 GDC (temperatura base de 6°C). Las plantas de las tres variedades de S. tuberosum L. mostraron características relacionadas con el mecanísmo de escape a la limitación hídrica, mediante el acortamiento de la duración de los estadios fenológicos de aparición del órgano floral y floración en D. Capiro, desarrollo de hojas y maduración de frutos en Esmeralda y desarrollo de hojas, formación de brotes laterales en P. Suprema; mientras los estadios fenológicos que no se evidenciaron fueron formación de frutos y maduración de frutos tanto en D. Capiro y P. Suprema. La variedad Esmeralda presentó los valores más altos en parámetros fisiológicos, enzimas antioxidantes, malondialdehido y osmolitos bajo la condijoón de déficit hídrico. Así mimo, se demostró que las variedades de papa evaluadas desplegaron mecanismos de defensa antioxidante de carácter enzimático y no enzimático para proteger moléculas y estructuras celulares e igualmente activaron mecanismos de ajuste osmótico mediante la síntesis de prolina y azúcares reductores para reducir la pérdida de agua bajo condiciones de déficit hídrico. Se concluye que entre las variedades de S. tuberosum L. evaluadas existen diferencias en los mecanismos de respuesta al déficit hídrico, que se explican mediante las variaciones en el comportamiento de de parámetros fisiológicos, bioquímicos, de crecimiento, fenología y rendimiento potencial; así como por la diferente capacidad de tolerancia al déficit hídrico por períodos de tiempo diferente. Así mismo, las diferencias en tolerancia al déficit hídrico entre variedades de papa son debidas a las variaciones en la respuesta de parámetros relacionados con el estado hídrico, la fotosíntesis, el ajuste osmótico y la defensa antioxidante principalmente. Así mismo, se determinó que uno de los primeros efectos del período de déficit hídrico fue la reducción en la fotosíntesis neta, la cual fue causada principalmente por la reducción en la conductancia estomática. (Texto tomado de la fuente).

In this thesis the physiological, biochemical and phenology of three Colombian varieties of potato (Solanum tuberosum L.) under water stress and rehydration response is evaluated. The hypothesis was that based on the performance of the varieties in the production areas, the three varieties of Solanum tuberosum L. showed differential response to a period of water deficit by irrigation suspension. The aim of this study was to determine the physiological, biochemical and plant phenology three Colombian varieties of S. tuberosum L. behavior towards water deficit and rehydration. The experiment was set in a greenhouse at the Universidad Nacional de Colombia. The three varieties of Solanum tuberosum L. showed differential response to a period of water deficit by irrigation suspensionolombia, Bogotá geographical coordinates 4th 35'56''57 LN and LO and 74 ° 04'51''30 altitude of 2.600 meters. Therefore, the treatments were arranged in split arrangement under the design of randomized complete block with three replicates plots; varieties in the main plot and subplot water status (water deficit or irrigated). Was evaluad three varieties of Andean S. tuberosum L: Diacol Capiro Pastusa supreme and Esmeralda. Irrigated plants maintained at 0 MPa Ψh foliar and soil matric potential 0 kPa throughout the lifecycle. The drought treatment was imposed by suspending irrigation at 74 days after sowing (DAS) for the state tuber induction. Water stress was applied in a short time, 4 to 6 days until on the floor near -45 Kilopascals values, which they are considered as causing water stress in potato. The stress level was also determined midiento leaf water potential (Ψh) to more negative at -1.6 MPa, as the wilting point values for potato plants, therefore he drought treatment was performed until a Ψh close to -2.0 MPa, after which the plants were rehydrated. The behavior of physiological parameters such as water potential (Ψh) foliar, relative water content (RWC), net photosynthesis (A), stomatal conductance (gs), sweating (E), intrinsic efficiency of water was evaluated (WUEi ), related to chlorophyll fluorescence maximum quantum yield of PSII (Fv / Fm), electron transport rate (TTE), effective quantum efficiency of photosystem II (Y (II)), photochemical dissipation coefficient (parameters qP) and non-photochemical dissipation coefficient (NPQ), the concentration of chlorophyll a (CHA), chlorophyll b (CHB), the total chlorophyll and carotenoids (Car), leaf temperature and parameters of growth and performance. Likewise, the activity of antioxidant enzymes catalase and peroxidase system and related compounds as osmotic adjustment with proline deteminó and reducing sugars; furthermore, the total content of sugars and protein was determined. Meanwhile, the description of the main phenological stages of development related to the accumulation of growing degree days (GDC) required to achieve each particular growth stage in the three varieties of potatoes subject to treatment was made. The most drastic reductions to the maximum level of water deficit with respect to the irrigated plants were recorded in the relative water content (CRA) 19.01% (P. Suprema), net photosynthesis (A) with 100% of control (Esmeralda), stomatal conductance (gs) to 97.6% (Emeralda), sweating (E) and 82.32% (D. Capiro), the efficiency of the intrinsic water (WUEi) with 9.78% of control (D. Capiro), and tuber yield per plant with 19.46% (Emeralda); Likewise, although the water stress induced increases in leaf temperature and electrolyte loss of the 3 varieties, the highest were for P. Suprema and D. Capiro respectively. After 1 day of rehydration, the 100% recovery alzanzaron the parameters: CRA for D. Capiro, A to Esmeralda, gs and E to D. Capiro and Esmeralda, Esmeralda EUAi, Fv / Fm P. Suprema, temperature sheet for D. Capiro electrolyte loss in the three varieties. Similarly, it was shown that in all three varieties, the water deficit induced significant increases (p≤0.01) in the loss of electrolytes, malondialdehyde content, antioxidant enzymes such as catalase and peroxidase, compounds associated with osmotic adjustment as proline, reducing sugars , total sugars and total protein. In addition, it was established that the cycle life of plants of the three varieties was 148 days, GDC requirement 1850 (base 6 ° C). The plants of the three varieties of S. tuberosum L. showed characteristics related to the mechanism of escape to water limitation by shortening the duration of the phenological stages of appearance of floral organ and flowering in D. Capiro, leaf development and fruit ripening in Esmeralda and leaf development, formation of side shoots in P. Suprema; while phenological stages were not evidenced fruit formation and fruit ripening both D. Capiro and P. Suprema. Emeralda variety showed the highest values in physiological parameters, antioxidant enzymes, and malondialdehyde and osmolites under water deficit. So mime, it was shown that potato varieties evaluated deployed antioxidant defense mechanisms of enzymatic and non-enzymatic protecting molecules and cellular structures and also activated mechanisms of osmotic adjustment through the synthesis of proline and reducing sugars to reduce water loss under water deficit conditions. It is concluded that among the varieties of S. tuberosum L. evaluated differences in the mechanisms of response to water deficit, explained by variations in the behavior of physiological, biochemical, growth, phenology and yield potential; as well as the different capacity of tolerance to water deficit by different time periods. Likewise, differences in tolerance to water deficit between potato varieties are due to variations in the response of parameters related to water status, photosynthetic efficiency, osmotic adjustment and antioxidant defense mainly. Likewise, it was determined that one of the first effects of the water shortage period was the reduction in net photosynthesis, which was mainly caused by the reduction in stomatal conductance.