El frijol (Phaseolus vulgaris L.) es una legumbre de gran importancia a nivel mundial, tanto para la alimentación humana como por su valor agronómico. Comprender la morfología y el desarrollo de su embrión es fundamental para optimizar su cultivo y mejorar su rendimiento, especialmente en el contexto de desafíos ambientales como la sequía.
El Embrión del Frijol: Estructura y Composición
En el frijol, el embrión constituye la totalidad de la semilla, excluyendo únicamente la testa. Este está compuesto por dos partes principales: los cotiledones y el complejo del eje embrionario (CEE). El CEE, a su vez, se conforma por el eje hipocótilo-radicular y las dos primeras hojas foliares.
Estudios previos han determinado la distribución de la biomasa dentro de la semilla. En investigaciones se ha reportado que la testa representa aproximadamente el 8.9% de la semilla, mientras que el embrión constituye el 91.1% restante. De este embrión, los cotiledones acaparan la mayor parte, un 89.9%, y el eje embrionario solo un 1.2%. Sin embargo, en el presente estudio, se encontró que los cotiledones representaron el 98.4% de la biomasa del embrión, y el CEE el porcentaje restante, lo que sugiere una variación en estas proporciones según las variedades y condiciones de estudio.
El embrión contiene la plúmula en el ápice del eje embrionario, por encima del nudo cotiledonal. La plúmula en el frijol está compuesta por un meristemo apical y varias hojas primarias, las cuales darán origen a las primeras estructuras de la plántula.
Importancia del Embrión y el CEE en el Vigor Inicial de la Plántula
Se ha demostrado que en diversos cereales, como el trigo, la cebada y la avena, un embrión de mayor tamaño se correlaciona con la producción de plántulas vigorosas, poseedoras de raíces y hojas más grandes, lo que confiere una ventaja al inicio de la estación de crecimiento. En contraste, en variedades de frijol de origen tropical, se ha observado que las semillas de menor tamaño emergen de manera más vigorosa en comparación con las de tamaño mediano y grande.
Investigaciones han sugerido la utilización de la biomasa de 100 semillas como criterio de selección para identificar germoplasma con mayor vigor inicial. Se ha encontrado una correlación negativa entre el tamaño de la semilla y el rendimiento.
En zanahoria (Daucus carota L.), una mayor longitud del embrión se ha relacionado con un menor número de días hasta la emergencia y una mayor biomasa de la plántula. Las reservas de la semilla se translocan progresivamente a las diferentes estructuras de la plántula. En cierto periodo de este proceso, el tamaño de la semilla puede ofrecer ventajas, asegurando una cantidad suficiente de reservas para el desarrollo de la plántula, incluso en condiciones adversas.
Estudios en frijol han reportado una variabilidad reducida en el vigor seminal entre cultivares mejorados. Las plántulas desarrolladas a partir de semillas más pesadas tendieron a ser más vigorosas, mostrando mayor altura y diámetro de hipocótilo, y acumulando más biomasa en sus raíces y folíolos. Por el contrario, las semillas más ligeras o pequeñas generaron plántulas más cortas con folíolos, hipocótilo y raíz más ligeros, y un hipocótilo angosto y corto.
Metodología del Estudio
Diseño Experimental y Localización
El estudio se llevó a cabo mediante dos experimentos:
- El primer experimento se sembró en macetas de plástico a la intemperie el 11 de mayo de 2006, en el área de invernaderos del Colegio de Posgraduados en Ciencias Agrícolas en Montecillo, Estado de México (19º 21' latitud norte, 98º 55' longitud oeste y 2 250 msnm).
- El segundo experimento se realizó en el Laboratorio de Resistencia a Sequía del Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas en abril de 2007.
Material Genético
Para determinar la relación en biomasa entre el complejo del eje embrionario (CEE) y los cotiledones, así como su vigor inicial en plántula, se utilizaron semillas de cinco variedades de Flor de Mayo (FM), una variedad de Flor de Junio (FJ) y un criollo como testigo, todas pertenecientes a la raza Jalisco.
Para la comparación en biomasa del CEE y los cotiledones entre razas, se incluyeron variedades de la raza Durango (Pinto Saltillo y Villa) y de la raza Jalisco (FM M38 y Anita). La raza Durango es reconocida por su tolerancia a sequía, mientras que la raza Jalisco es conocida por su amplia adaptación a la sequía intermitente. La semilla de estas variedades fue cosechada un año anterior bajo condiciones de riego en Montecillo, México.
Mediciones de Estructuras del Embrión
Características evaluadas en semilla
Se determinó el porcentaje de humedad de la semilla de cada variedad utilizando un medidor de humedad (Modelo MB45, OHAUS). Para la separación del CEE, se seleccionaron 20 semillas con una biomasa individual de 200, 260 y 320 ± 5 mg, utilizando una balanza analítica (precisión de 0.0001 g). Estas biomasas fueron seleccionadas porque las variedades mostraron estos rangos en la biomasa de semilla (mínimo, máximo y promedio).
Se realizó un corte en la testa de la semilla con un bisturí para separar los cotiledones y exponer el CEE. Se tomaron imágenes de las 20 semillas de los nueve cultivares y de las tres biomasas utilizando un fotomicroscopio Tessovar con cámara digital para microscopía (Pax cam 3, Carl Zeiss).
Con las mismas 20 semillas de cada variedad, se separó la testa de los cotiledones para determinar la biomasa y el porcentaje que representaba de la semilla, esto se realizó para los tres grupos de semillas con diferente biomasa. Se calculó el porcentaje del CEE con respecto al embrión.
Medición del CEE
Para medir el CEE, se utilizó el programa Image Tool para Windows. Las características evaluadas fueron:
- Longitud del eje hipocótilo-radicular (LHR) en mm.
- Anchura del eje hipocótilo-radicular (AHR) en mm.
- Área foliar de las dos primeras hojas (AFPH) en mm². Este valor se obtuvo midiendo la longitud y la anchura de una mitad de la cara de la hoja visible, multiplicando por cuatro, y luego por 0.62. Este factor se obtuvo mediante una regresión lineal simple comparando mediciones directas con regla y mediciones con un medidor de área foliar LI-COR modelo LI-3100.
Biomasa de las estructuras del CEE
Se separaron las diferentes estructuras del CEE para obtener la biomasa de cada componente:
- Biomasa del eje hipocótilo-radicular (BHR) en mg.
- Biomasa de las dos primeras hojas (BHS) en mg.
- La suma de BHR y BHS correspondió a la biomasa total del CEE (BTE) en mg.
Se calculó el cociente hipocótilo radicular/primeras hojas (CRH) utilizando la biomasa del eje hipocótilo-radicular (BHR) y la biomasa total de las dos primeras hojas (BHS).
Experimento de Vigor en Plántula
Características evaluadas en plántula
Para evaluar el vigor en plántula, se emplearon tubos de PVC de 10.5 cm de diámetro y 50 cm de altura, llenados con suelo. En cada tubo se sembraron tres semillas de la misma biomasa individual (260 ± 5 mg) a una profundidad de 3 cm.
Las variedades se asignaron en un diseño experimental de bloques completamente al azar con cuatro repeticiones. La unidad experimental consistió en tres plántulas en un tubo con suelo. El suelo utilizado fue de textura franco-arenoso con una densidad aparente de 1 g cm⁻³, pH de 6.9 y 9% de materia orgánica, previamente tratado térmicamente a 70 ºC durante 2 horas.
Se aplicaron riegos frecuentes, manteniendo el contenido de humedad edáfica cercano a la capacidad de campo. Las plántulas crecieron bajo temperaturas máximas y mínimas promedio de 29.6 ºC y 7.7 ºC, y un fotoperiodo de 13.03 horas.
Análisis de Crecimiento
Las plántulas completas se cosecharon a los 7, 11, 15, 19 y 23 días después de la siembra (dds) en las cuatro repeticiones. En cada plántula se determinaron:
- Longitud de la raíz principal (LRP) en cm.
- Número y longitud de las raíces adventicias (NRA y LRA) en cm.
- Área foliar (AF) en cm², determinada con un integrador de área foliar (LI-COR, modelo LI-3100).
Los diferentes órganos de las plántulas se secaron en una estufa a 70 ºC durante 72 horas para determinar la biomasa seca de cada parte:
- Biomasa seca total de raíces (BSTR) en mg.
- Biomasa seca de hojas (BSH) en mg.
- Biomasa seca de tallo (BST) en mg.
- Biomasa seca de los pecíolos (BSP) en mg.
Con los datos obtenidos, se calcularon:
- Longitud total de raíces (LTR) en cm (incluyendo raíz principal, raíces adventicias y laterales).
- Biomasa seca de la parte aérea (BSPA) en mg (BSH + BST + BSP).
- Cociente raíz/parte aérea (CRPA) (BSTR/BSPA).
Análisis Estadístico
Se realizó el análisis de varianza bajo un diseño experimental de bloques completamente al azar para cada variable de forma individual para los tres grupos de semilla y para los diferentes órganos medidos en la plántula. Para el análisis combinado de las diferentes variables, se utilizó un diseño experimental completamente al azar en un arreglo factorial, donde los factores fueron la biomasa de las semillas y los cultivares.
La prueba de comparación de medias se realizó con Tukey (DSH, p≤ 0.05). La comparación entre las razas se hizo con la prueba de Scheffé (p≤ 0.05). Todos los análisis se realizaron con el programa SAS (SAS, 2006).
Resultados y Discusión
Humedad y Porcentaje de Testa en la Semilla
La humedad en la semilla fluctuó entre 11.3% y 12.2% entre los cultivares. El porcentaje de testa fue del 8.3% para la raza Durango (Pt Villa y Pt Saltillo) y del 7.8% para la raza Jalisco (representada por las otras variedades), resultando en un promedio del 8.1% para ambas razas.
Estos resultados coinciden con estudios previos que reportan un porcentaje medio de testa alrededor del 9%. Se sugiere que este valor puede variar dependiendo de la raza y la variedad en estudio. Investigaciones previas mencionaron que la biomasa seca de la testa representó entre el 11.8% y 20.4% del total de la semilla de frijol, con valores menores en materiales mejorados.
Complejo del Eje Embrionario (CEE) y su Relación con la Biomasa de Semilla
Se observó que la mayor biomasa total del CEE (BTE) correspondió a las semillas de mayor peso (320 mg). Esto se debió a una mayor biomasa total en las dos primeras hojas (BHS) y a una mayor biomasa en el eje hipocótilo-radicular (BHR).
El CEE separado de semillas de 320 mg presentó un mayor área foliar de las dos primeras hojas (AFPH) y una mayor longitud del eje hipocótilo-radicular (LHR) en comparación con el CEE de semillas de 260 mg.
Fundamentalmente, el porcentaje del CEE en el embrión mostró una relación opuesta con la biomasa de la semilla. Esto significa que, aunque las semillas más grandes tienen un CEE con mayor biomasa y dimensiones absolutas, el CEE representa un porcentaje menor del embrión total en comparación con semillas más pequeñas.
El cultivar con tolerancia a sequía presentó una menor anchura del eje hipocótilo-radicular (AHR) en comparación con el cultivar susceptible a sequía. La alta biomasa total del CEE (BTE) en Pt Villa se debió a su alto BHR, mientras que la alta BTE en FM M38 y Anita se debió a una combinación de alto BHR y alto BHS.
En trabajos previos se ha determinado la relación entre la biomasa del CEE y los cotiledones, así como las dimensiones del CEE, en variedades contrastantes en tolerancia a sequía, con alto y bajo rendimiento, y se han identificado diferencias entre las razas de frijol Durango y Jalisco como medidas de vigor inicial.
Comparación entre Razas de Frijol: Durango y Jalisco
El estudio comparó la biomasa del CEE y los cotiledones entre las razas Durango y Jalisco, razas contrastantes en su adaptación a condiciones de sequía.
Se observó que el cultivar con tolerancia a sequía (representado por la raza Durango) presentó una menor anchura del eje hipocótilo-radicular (AHR) en comparación con el cultivar susceptible a sequía (razas Jalisco). Esto sugiere que la adaptación a la sequía podría estar asociada con modificaciones en la estructura del eje embrionario.
La alta biomasa total del CEE (BTE) en el cultivar Pt Villa (raza Durango) se atribuyó a su elevado eje hipocótilo-radicular (BHR). Por otro lado, la alta BTE observada en los cultivares FM M38 y Anita (raza Jalisco) se debió a una contribución significativa tanto del eje hipocótilo-radicular (BHR) como de las dos primeras hojas (BHS).
Estos hallazgos indican que las diferencias en la composición y dimensiones del CEE entre razas de frijol pueden estar relacionadas con su distinta tolerancia a la sequía y su potencial de vigor inicial.