El objetivo principal de este estudio fue construir un modelo predictivo de la germinación de Datura ferox basado en la acumulación de tiempo hidrotermal. Para ello, se llevó a cabo una serie de experimentos que cubrieron un amplio rango de temperaturas y potenciales hídricos, utilizando semillas recogidas en poblaciones naturales de D. ferox que infestaban parcelas de maíz en la provincia de Madrid. Estas semillas fueron sometidas a dos tratamientos diferentes: 1) mantenimiento en laboratorio a temperatura y humedad constantes (semillas no preacondicionadas), y 2) enterramiento de las semillas en el suelo original durante dos meses con heladas nocturnas (semillas preacondicionadas). Los resultados han puesto de manifiesto diferencias significativas en función de si las semillas fueron o no preacondicionadas en campo. Por un lado, la disminución del potencial hídrico base (Øb(50)) en semillas preacondicionadas respecto a las que no lo fueron, indicaba una pérdida de dormición tras la exposición de las semillas a las condiciones naturales. Por otro lado, el tiempo hidrotermal resultó apropiado para la construcción de un modelo predictivo de la germinación de D. ferox, aunque únicamente en semillas preacondicionadas. Este hecho nos ha planteado varias cuestiones referentes a la influencia del tipo de semillas utilizadas en experimentos de germinación (e.g., condiciones de almacenamiento, tratamientos previos a los ensayos, etc.) sobre la capacidad germinativa del embrión.

 

INTRODUCCIÓN

Datura ferox (Figura 1) es una de las principales malas hierbas de hoja ancha que causan problemas en cultivo de maíz en el centro de España.

El "éxito" de esta especie es atribuible a un mal control de la mala hierba por los herbicidas de preemergencia (e.g., triazinas, cloroacetamidas) así como su capacidad de producir un alto número de semillas por planta. La escasa eficacia de los herbicidas de preemergencia en esta especie anual, unida a la previsible restricción en el uso de muchos de estos herbicidas, hace necesario desarrollar métodos de control alternativos con escaso o nulo efecto residual, como por ejemplo la utilización de herbicidas de postemergencia o el empleo de labores entre líneas de cultivo. La eficacia de estos tratamientos de postemergencia depende en gran medida del momento y la duración de las nascencias de las malas hierbas, debiendo llevarse a cabo una vez que el proceso de emergencia esté casi finalizado. De este modo se maximizan sus efectos y se evita la necesidad de aplicaciones posteriores. Por tanto, el conocimiento de la dinámica de poblaciones y la relación entre el perfil de emergencia de las malas hierbas y las condiciones ambientales es vital para el desarrollo de sistemas de manejo sustentables a largo plazo.

Uno de los componentes fundamentales en la dinámica de poblaciones de malas hierbas es el banco de semillas del suelo. El conocimiento de las complejas interacciones que ocurren dentro del banco de semillas es esencial para el desarrollo de estrategias adecuadas de control de las malas hierbas. Los avances en estos conocimientos producidos en años recientes han permitido mejorar sustancialmente nuestra comprensión de la fisiología de los ciclos de dormición de las semillas en el suelo. Dos factores, como son la humedad y la temperatura del suelo, parecen ser determinantes en los patrones de emergencia, siendo utilizados como base de los modelos de germinación de semillas.

En este sentido, el concepto del tiempo hidrotermal (GUMMERSON, 1986), utilizado inicialmente para describir el perfil de emergencia de especies cultivadas (DAHAL y BRADFORD, 1994; ALVARADO y BRADFORD, 2002; ROWSE y FINCH-SAVAGE, 2003), ha sido empleado con éxito en trabajos recientes para predecir el modelo de germinación de diversas malas hierbas en función de la temperatura y el potencial hídrico (ROMAN et al., 1999; SHRESTHA et al., 1999; GRUNDY et al., 2000; MEYER et al., 2000).

El concepto de tiempo hidrotermal puede ser utilizado, además de para conocer la velocidad y la uniformidad en la germinación de una determinada población, para caracterizar la pérdida de dormición de las semillas de esta mala hierba (CHRISTENSEN et al., 1996; MEYER et al., 2000; ALLEN y MEYER, 2002; BRADFORD, 2002; ALVARADO y BRADFORD, 2005). Para ello, se analiza uno de los parámetros del modelo hidrotermal, el potencial hídrico base (Øb(g)). Un descenso de este parámetro, característico de una población, se relaciona con la pérdida progresiva de dormición en las semillas que componen dicha población (BRADFORD, 1995).

El objetivo principal de este trabajo fue construir un modelo predictivo de la germinación de D. ferox basado en la acumulación de tiempo hidrotermal.

En este artículo se describen los resultados obtenidos en un estudio sobre germinación de esta especie, para el que se diseñó una serie de experimentos que abarcaban un rango de temperaturas constantes con diversos niveles de potencial hídrico. Las semillas utilizadas fueron sometidas a dos tratamientos previos: 1) almacenamiento en condiciones de temperatura y humedad constante, y 2) acondicionamiento mediante enterrado en suelo original durante un periodo con heladas nocturnas, con intención de estimular la germinación por pérdida de dormición. Por lo tanto, un segundo objetivo sería determinar los efectos del preacondicionamiento de las semillas en los valores de los parámetros del modelo hidrotermal y, especialmente, en el potencial hídrico base como indicador del grado de dormición.

 

Material y métodos

Para llevar a cabo este estudio, se recogieron semillas maduras de D. ferox en noviembre de 2004 y 2005 pertenecientes a poblaciones naturales que crecían en un cultivo de maíz en la finca experimental La Poveda (CSIC, Arganda del Rey, Madrid), secándolas al aire hasta conseguir un grado de humedad constante (aprox. 9%) y conservándolas en cámara frigorífica (4ºC, 25% humedad relativa) hasta su utilización. Paralelamente, dos lotes de semillas correspondientes a cada año de recolección fueron preacondicionados (enterradas a 5 cm de profundidad en la propia parcela de origen, dentro de bolsas plásticas de 1 mm de malla) durante dos meses, desde el 6/02/2006 hasta el 6/04/2006, con objeto de favorecer la pérdida de dormición tras su exposición a condiciones naturales.

Los ensayos de germinación incluyeron un rango de temperaturas (T=10, 15, 20, 25 y 30ºC) en combinación con varios niveles de estrés hídrico (Ø=0, ?0,25, ?0,5, ?0,75, ?1 y ?1,25 MPa).

Los potenciales hídricos se consiguieron añadiendo 3,5 mL de la solución apropiada de polietilénglicol (PEG, peso molecular 8.000 Da), tomando precauciones para asegurarse que la relación del papel de filtro-solución de PEG era suficiente para evitar la objeción hecha por HARDEGREE y EMMERICH (1990) sobre la exclusión del papel de filtro.

Las placas de petri fueron selladas individualmente y colocadas dentro de bolsas de polietileno con sistema de autocierre para evitar la evaporación y cambios en el potencial hídrico de las soluciones.

Las semillas que germinaban eran eliminadas, realizando controles diarios durante las primeras semanas, reduciendo posteriormente la frecuencia a medida que la germinación disminuía.

El modelo hidrotermal (GUMMERSON, 1986) asume que todas las semillas de una población requieren la misma cantidad de tiempo hidrotermal (constante èHT) para germinar, según la función:

 

èHT = tg(g) (Ø ? Øb(g)) (T ? Tb) Ecuación 1

 

donde tg(g) y øb(g) son el tiempo de germinación y el potencial hídrico base para un percentil específico (g) de la población. A diferencia del potencial hídrico base, la temperatura base Tb se considera idéntica para todos los percentiles de la población.

En consecuencia, la variación del tiempo de germinación tg(g) estaría causada únicamente por la variación de Øb(g). Asumiendo que Øb(g) está distribuido normalmente en la población, puede representarse mediante la media (Øb(50)) y su desviación estándar (óØb). Incorporando estos parámetros en la ecuación 1 (ROWSE y FINCH-SAVAGE, 2003), tenemos:

 

Probit (g) = [(Ø ? èHT / (T ? Tb) t(g)) ? Øb(g)] /óøb Ecuación 2

 

Esta ecuación, que ha demostrado ser útil para describir los patrones de germinación en un amplio rango de temperaturas sub-óptimas (DAHAL y BRAD FORD, 1994; ROMAN et al., 1999; SHRESTHA et al., 1999), no es adecuada para temperaturas supraóptimas. ROWSE y FINCH-SAVAGE (2003) propusieron un método basado en datos empíricos para poder utilizar la ecuación 2 y describir el patrón de germinación de las semillas en todo el rango de temperaturas. Estos autores encontraron que Øb(50) tendía a ser constante por debajo de una temperatura (Td) cercana a la temperatura óptima, y aumentaba linealmente con la temperatura por encima de este umbral, proponiendo la siguiente ecuación:

 

t(g) = èHT / (Ø ? Øb(g,T)) (T ? Tb) Ecuación 3

 

en la que el potencial hídrico base para cualquier fracción de la población se define por:

 

Tb < T ? Td, Øb(g,T) = Øb(g)d

T > Td, Øb(g,T) = Øb(g)d + m (T ?Td)

 

donde Øb(g)d es el potencial hídrico base sin corregir para ese percentil, m es la pendiente del cociente entre øb(g) y la temperatura para temperaturas superiores a Td.

 

Resultados y discusión

Se han encontrado diferencias significativas en función de si las semillas utilizadas habían sido o no preacondicionadas en campo. Mientras que los porcentajes de germinación observados en las semillas preacondicionadas fueron suficientes para la construcción de modelos hidrotermales, en el caso de las semillas que se mantuvieron almacenadas en laboratorio hasta el comienzo de los experimentos correspondientes al año 2004, no alcanzaron un nivel de germinación suficiente para desarrollar un modelo fiable (Figura 2). En semillas preacondicionadas, el porcentaje de germinación en agua (0 MPa) fue constante hasta los 20ºC, disminuyendo éste a temperaturas superiores a los 20ºC. A medida que se incrementaba el estrés hídrico, el porcentaje de semillas germinadas se reducía progresivamente, especialmente con valores inferiores a ?0,5 MPa. En general, el porcentaje máximo de semillas germinadas fue superior en semillas recogidas en 2005 respecto a las de 2004, en ambos tratamientos (con y sin preacondicionamiento), lo que podría indicar una reducción de la capacidad germinativa durante el almacenamiento de las semillas. En las condiciones más favorables (T=15ºC, Ø=0 MPa), la germinación máxima acumulada tras 25 días en cámara de incubación fue de 53 y 88% en las poblaciones preacondicionadas de 2004 y 2005, respectivamente.

Para la construcción del modelo hidrotermal, se ha utilizado un programa informático desarrollado por ROWSE y FINCH-SAVAGE (2003) que optimiza los parámetros hidrotermales minimizando la suma de cuadrados residual de la diferencia entre los valores observados y los valores estimados (Tabla 1). La dificultad del ajuste consiste en acomodar la variable respuesta (porcentaje de germinación) a todo el rango de temperaturas y de potenciales hídricos mediante una función y parámetros únicos (modelo de tiempo hidrotermal indicado en la ecuación 3). En la representación gráfica de los modelos hidrotermales (Figura 2) se puede observar la bondad del ajuste, comparando los valores observados y los estimados. No obstante, se aprecia una descripción mejor de la germinación a temperaturas de 20ºC e inferiores, en tanto que el ajuste es mas pobre a temperaturas superiores, tal y como prevén los autores del programa informático (ROWSE y FINCH-SAVAGE, 2003) cuando se utiliza el set completo de datos para todas las temperaturas y potenciales hídricos.

Considerando la posibilidad de establecer un modelo general utilizando datos de diferentes poblaciones de semillas, se ha llevado a cabo una comparación de los valores correspondientes a los dos años. Como se ha indicado anteriormente, existen diferencias significativas en la respuesta de la germinación de las poblaciones con y sin preacondicionamiento.

Sin embargo, observando los valores estimados de los parámetros hidrotermales en las semillas preacondicionadas, comprobamos que Tb, Td, Øb(50) y óØb resultaron muy similares en 2004 y 2005. Teniendo en cuenta que el preacondicionamiento mediante enterrado de las semillas en el suelo durante la parada invernal estaría más cerca de la realidad que el mantenimiento de éstas en laboratorio, los resultados observados en las poblaciones preacondicionadas podrían utilizarse para la construcción de un modelo general de tiempo hidrotermal de D. ferox.

Por otro lado, las principales diferencias en los modelos hidrotermales de las distintas poblaciones de D. ferox se observaron en los valores de Øb(50), que resultó significativamente superior en semillas que no fueron preacondicionadas. Por ejemplo, para las semillas recogidas en 2005, Øb(50) fue de ?0,23 MPa en semillas almacenadas en laboratorio, mientras que este valor disminuyó a ?0,85 MPa en semillas preacondicionadas. Diversos autores (NI y BRADFORD, 1993; CHRISTENSEN et al., 1996; ALLEN y MEYER, 2002; ALVARADO y BRADFORD, 2002) han sugerido que el descenso del potencial hídrico base puede estar relacionado con algún estímulo para la germinación (pérdida de dormición), proponiendo incluso la posibilidad de utilizar este parámetro hidrotermal Øb(50) cómo base para la construcción de modelos de predicción de la pérdida de dormición.

En nuestro caso, es probable que los ciclos de hidratación y deshidratación junto con la fluctuación de las temperaturas a las que estuvieron expuestas las semillas enterradas, fueran responsables del cambio en Øb(50) y, por tanto, del aumento en el porcentaje de germinación en las semillas preacondicionadas.

En cuanto a la comparación de las poblaciones recogidas en diferentes años, los modelos han proporcionado valores similares en la estimación del potencial hídrico base en 2004 y 2005 para las semillas preacondicionadas.

 

Conclusiones

Los resultados indican la existencia de mecanismos de dormición en D. ferox, lo que justificaría el extenso periodo de emergencias observado en campo para esta mala hierba. En este sentido, una ruptur de la dormición "por lotes", o sea, de diferentes porciones dentro del banco de semillas del suelo, podría ser responsable del establecimiento asincrónico de D. ferox en parcelas cultivadas.

Por otro lado, el tiempo hidrotermal ha resultado útil para construir modelos que describen adecuadamente el perfil de emergencia de las poblaciones de D. ferox cuyas semillas fueron preacondicionadas, esto es, aquellas que fueron expuestas a condiciones naturales durante un periodo de dos meses. Este tratamiento ha proporcionado un tipo de semillas que han servido para realizar un buen ajuste al modelo de tiempo hidrotermal, probablemente similar al modelo que obtendríamos de poblaciones tomadas directamente del banco de semillas del suelo bajo condiciones reales. Por el contrario, los experimentos donde se utilizaron poblaciones de D. ferox que no fueron preacondicionadas, es decir, aquellas que se mantuvieron almacenadas a temperatura y humedad constante, no han proporcionado buena información por no alcanzar un nivel de germinación suficiente para la construcción de modelos precisos. En consecuencia, el desarrollo de estos modelos nos ha planteado una serie de cuestiones con respecto a la influencia del tipo de semillas utilizadas en los experimentos de germinación. Entre otras circunstancias, se cuestiona la edad de las semillas, las condiciones de almacenamiento o los tratamientos previos a los ensayos, y su relación con la pérdida de dormición o de la capacidad germinativa del embrión.

 

BIBLIOGRAFÍA

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