Proyectos de Investigación: 2024
Nicole Merry Mendoza Cruz; Maryori Lizbeth Huamani Ramos; Beatriz Julieta Quispe Huayta; Raul Lima Coasaca; Martin Juan Carlos Villalta Soto; Luis Antonio Baltazar Zegarra Aymara
Objetivo
Verificar las alteraciones morfológicas, fisiológicas y moleculares del sistema radicular en quinoa en respuesta a la disponibilidad hídrica, la baja disponibilidad de Ca y las interacciones de esos factores.
Resumen:
La quinoa (Chenopodium quinoa Willd.), es un cultivo autóctono de la región andina en Sudamérica de relevante importancia económica, por su valor nutritivo que ha sido caracterizado como muy superior al de cereales tradicionales, considerando su potencial promisorio para la alimentación humana y seguridad alimentaria. Su cultivo se realiza en distintos pisos altitudinales de forma extensiva e intensiva oscilando desde el nivel del mar hasta los 4500 msnm, siendo por tanto esta planta sometida a diferentes condiciones edafo-climáticas. Así como para todos los cultivos, el agua es un factor limitante de la productividad en quinoa. En situaciones en que hay restricción hídrica, es deseable que el sistema radicular penetre capas más profundas del suelo y consiga acceder al recurso hídrico. Sin embargo, para que el hidrotropismo se manifieste, existe la necesidad del crecimiento radicular, pero este presenta otra limitación: la baja disponibilidad de calcio (Ca) en condiciones de acidez del suelo. La dolomita es usada predominantemente para aumentar el pH del suelo y para nutrir las plantas con Ca y Mg. El Ca es pivotante en distintos procesos fisiológicos, pero también es limitante del crecimiento radicular, ya que es parte de moléculas estructurales de la pared celular, siendo un constituyente de las pectinas de la lamela media, las cuales cumplen una función de adhesión y flexibilidad de la pared celular, confiriendo resistencia para la penetración radicular a capas sub-superficiales del suelo. A pesar de estas hipótesis, existen dudas si en el crecimiento radicular tendría mayor peso: los aspectos físicos (resistencia para la penetración radicular), químicos (disponibilidad de Ca en profundidad, oxigenación del suelo o la presencia de agua) o de la interacción de estos factores. El objetivo es verificar alteraciones morfológicas, fisiológicas y moleculares del sistema radicular de quinoa en respuesta al estrés hídrico, baja disponibilidad de Calcio y a las interacciones de esos factores limitantes en la variedad Salcedo-Inia. Esta propuesta combina la enmienda de Calcio en diferentes profundidades con la irrigación en diferentes niveles de humedad y en diferentes profundidades. Además de la evaluación del desarrollo de la planta y parámetros relacionados con la fotosíntesis, serán también desarrolladas caracterizaciones bioquímicas en tejidos de hojas y raíces, y serán evaluados parámetros de crecimiento del sistema radicular, de su estructura y de la anatomía de raíces. Por otro lado, será verificada la expresión de genes por qRT-PCR e Hibridación in situ relacionados a la absorción de agua (Acuaporinas) y absorción de Calcio (transportadores). Esperamos que la variedad Salcedo-Inia al ser sometida a tratamientos combinados de restricción hídrica y Ca (Cal dolomítica) a diferentes profundidades, responderá de forma variable y modulará el desempeño funcional de parámetros de crecimiento y ecofisiológicos (intercambio gaseoso, fluorescencia de clorofila e índice de coloración verde clorofila, como también en el contenido de nutrientes y moléculas orgánicas foliares (azúcares, aminoácidos y proteínas), en relación a alteraciones en la estructura y morfología radicular, determinaciones que serán complementadas por el análisis de expresión de transportadores de Ca y acuaporinas en raíces del genotipo de quinoa en estudio. Hasta la fecha, solo existen estudios sobre el efecto del estrés hídrico en la arquitectura radicular, no habiéndose reportado efectos combinados de estrés hídrico y Ca de acuerdo a la literatura disponible, por lo que existen interrogantes que responder y que permitirían aumentar su adaptación a condiciones hídricas y edáficas adversas (bajo pH del suelo) para el genotipo en estudio.
Palabras clave
Palabras-claves: Nutrición mineral, estrés hídrico, acuaporina, transportador de calcio, anatomía de raíz.
Problema central
El aumento de la temperatura, por la emisión de gases invernadero (Vörösmarty et al., 2000) afecta la productividad vegetal por la falta de agua (Boyer, 1982), determinando la arquitectura radicular, por la acción del ABA y Auxinas (Tsukagoshi et al., 2010). Así, el rendimiento de quinua es y será afectado por el estrés hídrico, independiente de muchos factores, dado a un aumento en frecuencia de sequías donde este cultivo crece (Rambal et al., 2015). La Quinua posee una arquitectura radicular tipo “espina de pescado”, con una raíz principal apoyada en raíces laterales (Bazile & Santivañez, 2014). Esta configuración, reduce la competencia entre las raíces de la misma planta y vecinas, optimizando la absorción de nutrientes (Padilla & Pugnaire, 2007). A pesar de que quinua tiene capacidad innata para enfrentar el déficit hídrico en el crecimiento, la fase reproductiva es más sensible (Hinojosa et al., 2018). El Clima y el suelo explican las diferencias regionales en la estrés hídrico en quinua, principalmente en la capacidad de almacenamiento de agua en el suelo y del régimen pluviométrico (Aroni et al., 2009). Un enfoque en el mejoramiento genético en quinua, es el entendimiento de los mecanismos de resistencia para desarrollar de variedades con mayor tolerancia al déficit hídrico (Hinojosa et al., 2018) En relación al control genético-molecular y a la fisiología radicular, la identificación de genes relacionados a la deficiencia de Nitrógeno y Fósforo (Li et al., 2016),ambos pelo custo de síntesis química y de yacimiento renovables (Jez et al., 2016), es importante. Varios caracteres de las raíces, como la expresión de acuaporinas y transportadores de Calcio están muy poco explorado en quinua y presentarían plasticidad fenotípica (Fitter,1991). Así se ha reportado en quinua en relación a la deficiencia de macronutrientes y micronutrientes, impactando negativamente en el tamaño del tallo, altura de la planta y biomasa radicular y caulinar (Cole et al., 2020). Así, el sistema radicular considera la necesidad de exploración de zonas más superficiales y mas profundas de suelo, para la absorción de agua y nutrientes, principalmente en situaciones de bajo suplemento de nutrientes y estrés hídrico. Es necesario mas estudios sobre la arquitectura radicular de la quinoa, su diversidad intraespecífica y la plasticidad en respuesta a la sequía (Alvarez Flores, 2012). Otro factor limitante en el desarrollo radicular es la acidez del suelo y el Al+3. La mayoría de nutrientes, a pH acido, afectan su disponibilidad y el primer síntoma de toxicidad de Al+3 es la inhibición del crecimiento radicular. La tolerancia a la sequía involucra el crecimiento radicular como estrategia, y la inmovilización del Al+3 de la zona de exploración de las raíces. El Ca tiene un papel fundamental en la fisiología de las plantas (Marschner, 1995). El nivel de Ca en el suelo, no solo depende de la roca madre y de adiciones vía fertilización u otras fuentes como la cal o carbonato de calcio (CaCO3). Aplicaciones de Ca, en la forma de Yeso, CaCO3 y Cal, son usadas para nutrir las plantas, pero este último tiene poco efecto en la corrección del pH (Carvalho & van Raij, 1997). La solubilidad del Ca en la Cal es muy baja, una alternativa ha sido usar yeso, con solubilidad mayor (Vitti & Priori, 2009). A pesar que el suelo tenga influencia, alrededor del 50% del yeso aplicado se disocia como Ca2+ y SO42-, fuente de calcio y azufre para las plantas, mientras que el restante se percola (Vitti & Priori, 2009) . En quinua, el bajo pH en horizontes superiores disminuye la disponibilidad de nutrientes, el crecimiento, ramificación y haciendo el Al3+ soluble. Concentraciones excediendo los 2.5 ppm-5ppm son toxicas para las raíces, así las puntas de las raíces de la quinoa se deforman y se vuelven quebradizas, afectando el crecimiento y la ramificación(Singh, 2019).Se ha descrito que quinua crece desde un pH 7, pH 9 (en los salares del Altiplano de Perú) o en pH 4,5 (suelos de
Hipótesis planteada
Se conoce que algunas plantas que crecen bajo restricción hídrica han desarrollado mecanismos de tolerancia y escape (dependientes de la especie, ecotipo, e intensidad y duración del estrés), modulando su crecimiento y arquitectura radicular en dirección a capas más profundas del suelo para captar más agua y nutrientes. Por otro lado, para que este hidrotropismo se exprese, existe la necesidad de crecimiento radicular relacionado con disponibilidad de calcio (Ca), la cual depende de la acidez del suelo (pH) y su corrección. Por tanto, se postula que: •La variedad Salcedo-INIA presente en el Perú, al ser sometida a tratamientos combinados de restricción hídrica y Calcio (cal dolomítica) a diferentes profundidades, responderá de forma variable tanto en el desempeño funcional de parámetros de crecimiento y ecofisiológicos, en el contenido foliar de nutrientes y moléculas orgánicas, como en relación a alteraciones en la estructura y morfología radicular, así como en el perfil de expresión de transportadores de Ca y acuaporinas de las raíces en estudio
Resultados esperados
La quinua (Chenopodium quinoa), es un cultivo de la región andina en Sudamérica de importancia nutricional para la
seguridad alimentaria. Su cultivo se realiza a diferentes condiciones edafo-climáticas, siendo el agua limitante en su
productividad. Es deseable que la raíz explore capas profundas para acceder al agua, pero hay una limitación: baja
disponibilidad de Ca en condiciones de acidez del suelo. El Ca es limitante del crecimiento radicular, ya que es
constituyente de la lamela media, otorgando adhesión y flexibilidad a la pared celular y resistencia para la penetración a
capas profundas. Hay dudas si en el crecimiento radicular tendría mayor peso: la disponibilidad de H20, Ca o la
interacción de estos factores. Aquí verificaremos alteraciones morfo-histológicas y del sistema radicular y parámetros
eco-fisiológicos en respuesta al estrés hídrico, disponibilidad de Ca y las interacciones de esos factores limitantes a
diferentes profundidades en la variedad de quinua Salcedo-INIA.
Impactos esperados
Hasta la fecha, pocos estudios han sido realizados sobre el efecto del estrés hídrico en la arquitectura radicular, no
habiéndose reportado efectos combinados de estrés hídrico y Ca de acuerdo a la literatura disponible, por lo que existen
interrogantes que responder y que permitirían aumentar su adaptación a condiciones hídricas y edáficas adversas (bajo
pH del suelo) para el genotipo INIA-Salcedo, especialmente en situaciones de restricción hídrica y que posea resistencia
en la exploración de capas sub-superficiales de suelos compactados y de poca oxigenación para captar más recursos
hídricos y nutrientes que son susceptibles a percolación y necesarios en la productividad. Son escasos o nulos los
conocimientos en la variedad INIA-salcedo, en lo que respecta a rutas fisiológicas, bioquímicas y moleculares de estrés
combinado; Calcio x Estrés Hídrico. Nosotros aquí proponemos estudiar la caracterización de la interacción del estrés
hídrico y la disponibilidad de Ca, sobre la modulación de la arquitectura radicular, morfofisiología y expresión de genes
transportadores de Ca y acuaporinas , como punto de partida para posteriores experimentos de transformación genética
para la obtención de líneas transgénicas de Quinua con mejor sistema radicular que presente un mejor desempeño
frente al estrés hídrico y en la absorción de Calcio. La aplicación potencial de genotipos provenientes de líneas
transgénicas quinua, poseyendo un mejor sistema radicular para enfrentar al estrés hídrico y tener una mejor absorción
de Ca, permitiría que quinua Salcedo INIA- pueda ser incorporada de manera masiva a ambientes mas estresante,
manteniendo su productividad y mitigando de manera paralela efectos edafoclimáticos.