EFICIENCIA EN LA ADQUISICIÓN DE FÓSFORO EN CULTIVOS

DE SOJA, GIRASOL Y MAÍZ

Tesis presentada para optar al título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires, Área Ciencias Agropecuarias

Mariana Cecilia Fernández Ingeniera Agrónoma - UBA - 2001

Lugar de trabajo: Cátedra de Fertilidad y Fertilizantes (FAUBA)

Escuela para Graduados Ing. Agr. Alberto Soriano Facultad de Agronomía – Universidad de Buenos Aires

COMITÉ CONSEJERO

Director de tesis Gerardo Rubio

Ingeniero Agrónomo (UBA) Doctor en Ciencias Agropecuarias (UBA)

Co-director

Flavio Hernán Gutiérrez Boem Ingeniero Agrónomo (UBA)

Doctor en Ciencias del Suelo (University of Kentucky, USA)

Consejero de Estudios Fernando O. García

Ingeniero Agrónomo (UBA) Doctor en Agronomía (Kansas State University)

JURADO DE TESIS

Director de tesis Gerardo Rubio

Ingeniero Agrónomo (UBA) Doctor en Ciencias Agropecuarias (UBA)

JURADO

David Alejandro Morón Yacoel Ingeniero Agrónomo (Universidad de la República, Uruguay)

Doctor en Agronomía (Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Brasil)

JURADO César Eugenio Quintero

Ingeniero Agrónomo (Universidad Nacional de Entre Ríos) Doctor en Ciencias de la Tierra y Medio Ambiente (Universidad de La Coruña)

JURADO

Rodolfo Ernesto Mendoza Ingeniero Agrónomo (UBA)

Fecha de defensa de la tesis: 16 de febrero de 2011

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DEDICATORIA Esta tesis está dedicada a mis padres Mercedes y Manuel, a quienes les debo todo, y a Eduardo y Lucía que me apoyaron con paciencia desde el primer día.

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AGRADECIMIENTOS

Les agradezco especialmente a mis directores Gerardo Rubio y Flavio H. Gutiérrez Boem por la confianza que depositaron en mi, al darme la oportunidad de aprender junto a ellos. A Gerardo que me transmitió su conocimiento crítico y a Flavio por sus consejos prácticos.

A Fernando García que siempre respondió cordialmente a mis solicitudes. A mis compañeros: a María Julia por su divertida ayuda, a Valeria por su

inteligente ayuda y a Hernán por su ingeniosa ayuda. Gracias a los tres por su valiosa amistad.

A Adrián y a Albano por haberme prestado sus manos cuando las mías no alcanzaban.

A Rodolfo Mendoza y a Iliana García por guiar mis primeros pasos en el mundo de las micorrizas.

A la familia Romano y a los Ing. Agr. Miguel Boxler, Nicolás Vera Candioti, Gustavo Ferraris y Miriam Barraco por haberme facilitado los lotes para realizar el trabajo a campo.

A todos ellos ¡Muchas Gracias!

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DECLARACIÓN

“Declaro que el material incluido en esta tesis es, a mi mejor saber y entender, original producto de mi propio trabajo (salvo en la medida en que se identifique explícitamente las contribuciones de otros), y que este material no lo he presentado, en forma parcial o total, como una tesis en ésta u otra institución”.

Mariana Cecilia Fernández

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PUBLICACIONES DERIVADAS DE LA TESIS • Fernández MC, Belinque H, Gutiérrez Boem FH, Rubio G. 2009. Compared

phosphorus efficiency in soybean, sunflower and Maize. Journal of Plant Nutrition 32: 2027-2043.

• Fernández MC, Gutiérrez Boem FH, Rubio G. 2011. Effect of indigenous

mycorrhizal colonization on phosphorus acquisition efficiency in soybean and sunflower. Enviado a Journal of Plant Nutrition and Soil Science (en revision)

* El manuscrito relacionado con los resultados experimentales del capítulo 3 está en preparación.

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ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE TABLAS................................................................................................ ix ÍNDICE DE FIGURAS.............................................................................................. xi RESUMEN................................................................................................................. xiii ABSTRACT............................................................................................................... xiv CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN GENERAL.......................................................... 1 1.1) El fósforo en el sistema agrícola.......................................................................... 2 1.2) Eficiencia fosfatada............................................................................................. 4 1.2.1) Eficiencia de adquisición de P.......................................................................... 5 1.2.1.1) Mecanismos fisiológicos............................................................................... 5 1.2.1.2) Mecanismos morfológicos............................................................................. 6 1.2.1.3) Mecanismos simbióticos................................................................................ 9 1.2.2) Eficiencia de utilización de P........................................................................... 9 1.3) Objetivo e hipótesis generales............................................................................. 10 1.4) Organización de la tesis....................................................................................... 11 CAPÍTULO 2: COMPARACIÓN DE LA EFICIENCIA DE ADQUISICIÓN Y UTILIZACIÓN DEL FÓSFORO EN SOJA, GIRASOL Y MAÍZ............................

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2.1) Introducción......................................................................................................... 13 2.2) Materiales y métodos........................................................................................... 14 2.2.1) Experimento a campo....................................................................................... 15 2.2.2) Experimento en invernáculo............................................................................. 15 2.2.3) Muestreo y mediciones..................................................................................... 16 2.2.4) Cálculos de eficiencia de P............................................................................... 16 2.2.5) Relaciones alométricas..................................................................................... 16 2.2.6) Análisis estadístico........................................................................................... 17 2.3) Resultados............................................................................................................ 17 2.3.1) Parámetros de crecimiento................................................................................ 17 2.3.2) Parámetros relacionados con la eficiencia de adquisición de P........................ 21 2.3.3) Parámetros relacionados con la eficiencia de utilización de P......................... 22 2.3.4) Relaciones alométricas..................................................................................... 25 2.4) Discusión............................................................................................................. 28 2.4.1) Comparación de la eficiencia de adquisición y utilización de P....................... 28 2.4.2) Partición de biomasa a raíz evaluado mediante un enfoque alométrico........... 31 2.5) Conclusiones........................................................................................................ 31 CAPÍTULO 3: DISPONIBILIDAD DE FÓSFORO Y FORMACIÓN DE POROSIDAD EN RAÍCES DE SOJA, GIRASOL Y MAÍZ.....................................

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3.1) Introducción......................................................................................................... 34 3.2) Materiales y métodos........................................................................................... 35 3.2.1) Material vegetal y diseño experimental............................................................ 35 3.2.2) Mediciones........................................................................................................ 36 3.2.3) Análisis estadístico........................................................................................... 37 3.3) Resultados............................................................................................................ 37 3.3.1) Porosidad radical total y aerénquima................................................................ 37 3.3.2) Biomasa, longitud radical y concentración de P............................................... 41 3.3.3) Parámetros relacionados con la eficiencia de adquisición de P........................ 43 3.4) Discusión............................................................................................................. 48

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3.5) Conclusiones........................................................................................................ 50 CAPÍTULO 4: COLONIZACIÓN POR MICORRIZAS ARBUSCULARES NATIVAS Y EFICIENCIA DE ADQUISICIÓN DE FÓSFORO.............................

51

4.1) Introducción......................................................................................................... 52 4.2) Materiales y métodos........................................................................................... 53 4.2.1) Estudio a campo................................................................................................ 53 4.2.2) Experimento en invernáculo............................................................................. 55 4.2.3) Mediciones........................................................................................................ 55 4.2.4) Análisis estadístico........................................................................................... 56 4.3) Resultados............................................................................................................ 56 4.3.1) Colonización micorrícica en el campo.............................................................. 56 4.3.2) Colonización micorrícica en el experimento en invernáculo............................ 58 4.3.3) Biomasa y absorción de P................................................................................. 59 4.3.4) Respuesta a las micorrizas................................................................................ 60 4.3.5) Parámetros relacionados con la eficiencia fosfatada........................................ 61 4.4) Discusión............................................................................................................. 63 4.5) Conclusiones........................................................................................................ 66 CAPÍTULO 5: DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES GENERALES........................... 67 5.1) Implicancias agronómicas de los resultados obtenidos....................................... 70 5.2) Aportes originales surgidos de la tesis................................................................. 72 5.3) Posibles líneas de investigación futuras.............................................................. 73 BIBLIOGRAFÍA CITADA........................................................................................ 74

ix

ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO 1 Tabla 1.1. Rendimiento y requerimientos de fósforo de soja, maíz y girasol............ 3 Tabla 1.2. Umbrales críticos de fósforo disponible (Bray I) en el suelo (0-20 cm)

para los cultivos de soja, girasol y maíz en la Región Pampeana............

4 Tabla 1.3. Definiciones y unidades de eficiencia fosfatada que se utilizaron en esta

tesis...........................................................................................................

5 CAPÍTULO 2 Tabla 2.1. Valores F, significancia y comparación de medias para los experimen-

tos de campo y en invernáculo.................................................................

18 Tabla 2.2. Biomasa aérea, radical y total, relación raíz tallo, longitud radical y área

por unidad de longitud radical en los experimentos de campo y de invernáculo. Rendimiento en grano y proporción de longitud radical y biomasa radical en el estrato de suelo de 0-20 cm, en el experimento a campo........................................................................................................

20 Tabla 2.3. Porcentaje del P total y concentración de P en hojas, tallos y raíces, en

el experimento en invernáculo. BP/AP: porcentaje de concentración de P en el tratamiento con bajo P en relación al tratamiento con alto P.......

24 Tabla 2.4. Coeficiente alométrico (KRMA), coeficiente de correlación (r2) y valor p

para la comparación entre tratamientos de nivel de P para cada cultivo en los ensayos de campo e invernáculo....................................................

25 Tabla 2.5. Coeficiente alométrico (KRMA), coeficiente de correlación (r2) y valor p

para la comparación entre especies, en ambos experimentos (campo e invernáculo) y para todos los niveles de P...............................................

28 CAPÍTULO 3 Tabla 3.1. Resultados del ANOVA para las variables porosidad y eficiencia de

adquisición de P a los 7, 14, 21 y 28 días de crecimiento con tratamiento de bajo y alto P......................................................................

38 Tabla 3.2. Porcentaje de área con aerénquima en cortes transversales en la región

apical y basal de raíces laterales de soja y girasol y seminales de maíz de plantas creciendo durante 21 días con bajo y alto P............................

39 Tabla 3.3. Biomasa aérea, radical, reducción relativa de biomasa aérea y longitud

radical total de soja, girasol y maíz, a los 7, 14, 21 y 28 días creciendo con alto y bajo P.......................................................................................

42 Tabla 3.4. Resultados del ANOVA para las variables longitud radical específica

(LRE), diámetro medio y densidad radical a los 28 días de crecimiento.

45 CAPÍTULO 4 Tabla 4.4. Porcentaje de colonización por hongos micorrícicos arbusculares

(HMA) de acuerdo al P disponible en el suelo para soja, girasol y maíz en el muestreo a campo. N es el tamaño de la muestra para cada estrato de P disponible en el suelo.......................................................................

58 Tabla 4.2. Resultados del ANOVA para las variables colonización por hongos

micorrícicos arbusculares (HMA), biomasa total producida, P total absorbido y respuesta a las micorrizas en crecimiento (RCM) y en P (RPM), en el experimento en invernáculo...............................................

58

x

Tabla 4.3. Respuesta en crecimiento (RCM) y respuesta en P (RPM) a las micorrizas en el experimento en invernáculo...........................................

61

Tabla 4.4. Efectos del nivel de P y de la inoculación con hongos micorrícicos

arbusculares (HMA) sobre la longitud radical total, el diámetro radical medio y la eficiencia de adquisición de P por unidad de biomasa y de longitud radical para soja y girasol en el experimento en invernáculo. Entre paréntesis se dan los errores estándar de las medias......................

62 CAPÍTULO 5 Tabla 5.1. Resumen de la comparación entre soja, girasol y maíz para las

diferentes variables de la eficiencia de adquisición y utilización de P en todos los experimentos realizados (a campo, invernáculo, hidroponia). +++ a + representan una escala de mayor a menor eficiencia..................................................................................................

69

xi

ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 2 Figura 2.1. (a) Longitud radical específica, (b) área radical específica y (c)

diámetro medio radical para soja, girasol y maíz bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P) en los experimentos de campo e invernáculo. Las barras representan el error estándar de las medias. Los tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P<0.05), para la interacción especie x nivel de P..................................................................................................

21 Figura 2.2. Eficiencia de adquisición de P expresada como (a) absorción de P por

unidad de longitud radical y (b) absorción de P por unidad de biomasa radical para soja, girasol y maíz bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P) en los experimentos de campo e invernáculo. Las barras representan el error estándar de las medias. Los tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P<0.05), para la interacción especie x nivel de P...................

22 Figura 2.3. Eficiencia de utilización de P expresada como (a) biomasa total por

unidad de P absorbido en el experimento a campo y en invernáculo; y (b) como grano producido por unidad de P absorbido en el experimento a campo, para soja, girasol y maíz bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P). Las barras representan el error estándar de las medias.....................................................................

23 Figura 2.4. Relaciones alométricas entre la biomasa de raíces y de parte aérea de

los datos transformados (log10) de plantas de soja, girasol y maíz (unidades originales en mg de materia seca por planta) creciendo en condiciones de campo con bajo y alto nivel de P.....................................

26

Figura 2.5. Relaciones alométricas entre la biomasa de raíces y de parte aérea de los datos transformados (log10) de plantas de soja, girasol y maíz (unidades originales en mg de materia seca por planta) creciendo en condiciones de invernáculo con bajo, medio y alto nivel de P................

27 Figura 2.6. Relaciones alométricas entre la biomasa de raíces y de parte aérea de

los datos transformados (log10) de plantas de soja, girasol y maíz (unidades originales en mg de materia seca por planta)...........................

28 CAPÍTULO 3 Figura 3.1. Porosidad radical total para soja, girasol y maíz con alto y bajo P para

los 7, 14, 21 y 28 días de tratamiento. Las barras representan el error estándar de las medias..............................................................................

38 Figura 3.2. Cortes transversales en la región apical y basal de raíces laterales de

soja (a) y girasol (b) y seminales de maíz (c) de plantas creciendo durante 21 días con bajo P (figuras de la derecha) y alto P (figuras de la izquierda)..............................................................................................

40 Figura 3.3. Concentración de P en tejido radical en plantas de soja, girasol y maíz

con bajo P en función del tiempo de tratamiento. Cada punto es la media de tres mediciones ± el error estándar. El ANOVA indicó diferencias significativas para el factor especie en los cuatro momentos de mediciones...........................................................................................

43

xii

Figura 3.4. Eficiencia de adquisición de P expresada como (a) P absorbido por

unidad de biomasa radical y (b) P absorbido por unidad de longitud radical para soja, girasol y maíz a los 7, 14, 21 y 28 días de tratamiento con bajo y alto P. Las barras representan el error estándar de las medias. Los tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P<0.05) para la interacción especie x nivel de P..................................................................................................

44 Figura 3.5. Longitud radical específica (LRE) (a), diámetro medio radical (b) y

densidad radical (c) para plantas de soja, girasol y maíz a los 28 días de crecimiento con tratamiento de alto y bajo P. Las barras representan el error estándar de las medias. La interacción especie x nivel de P fue significativa (P<0.05) para la variable diámetro medio. Tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes.....................

46 Figura 3.6. Porcentaje de longitud radical por clases de diámetro para soja, girasol

y maíz a los 28 días de crecimiento con tratamiento de alto y bajo P. Las barras representan el error estándar de las medias. La interacción especie x nivel de P fue significativa (P<0.05) en las clases de raíces menor a 0.25 mm y de 0.50 - 1 mm de diámetro. El ANOVA en la clase de 0.25 - 0.50 mm dio un efecto significativo de especie (girasol > soja y maíz) y de nivel de P. El ANOVA en la clase > 1 mm dio un efecto significativo de especie (maíz > soja) y un efecto de nivel de P...

47 CAPÍTULO 4 Figura 4.1. Mapa de los sitios muestreados a campo................................................. 54 Figura 4.2. Relación entre la colonización por hongos micorrícicos arbusculares y

el P disponible en el suelo (Bray1) en el muestreo a campo para soja (a), girasol (b) y maíz (c)..........................................................................

57 Figura 4.3. Colonización por hongos micorrícicos arbusculares en el experimento

en invernáculo para soja y girasol bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P). Las barras de error representan el error estándar de las medias. Las barras con la mismas letras no son significativamente diferentes (P<0.05), para la interacción especie x nivel de P..................................................................................................

59 Figura 4.4. Biomasa total producida (a) y P total absorbido (b) en el experimento

en invernáculo para plantas de soja y girasol con y sin micorrizas bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P). Las barras de error representan el error estándar de las medias. Las barras con la mismas letras no son significativamente diferentes (P<0.05), para la interacción especie x nivel de P x micorrizas...............................

60 CAPÍTULO 5 Figura 5.1. Mecanismos de la eficiencia de adquisición de P.................................... 68

xiii

RESUMEN Los cultivos de soja, girasol y maíz difieren en los umbrales críticos de fósforo (P), lo cual sugiere que poseen diferente eficiencia fosfatada. Un mejor conocimiento de los mecanismos de la eficiencia fosfatada es agronómicamente significativo para avanzar en el diseño de esquemas de manejo que permitan incrementar la eficiencia del P y reducir el requerimiento de fertilizantes. La eficiencia fosforada se define como la habilidad de la planta para adquirir P y/o utilizarlo en la producción de biomasa. El objetivo general de esta tesis fue realizar un análisis comparativo de la eficiencia fosfatada de los cultivos de soja, girasol y maíz. Se realizaron experimentos a campo y en invernáculo con plantas creciendo bajo diferentes niveles de P disponible. Primero se comparó la habilidad de estos cultivos para adquirir y utilizar P y se evaluaron algunas características radicales que determinan la eficiencia fosfatada. Mientras soja y girasol mostraron una alta eficiencia de adquisición de P, el maíz fue más eficiente en su utilización. Se observó que soja y girasol, por su morfología y arquitectura radical, son capaces de absorber más P por unidad de C invertido en biomasa radical. En segundo lugar se evaluó la generación de porosidad radical y su efecto sobre la eficiencia de adquisición de P. Aunque la deficiencia fosfatada indujo la formación de porosidad en las tres especies, esta respuesta fue mayor en soja. La presencia de esta mayor porosidad en soja contribuyó a que sea más eficiente que girasol y maíz en absorber P. Finalmente se evaluó el impacto de la micorrización sobre la eficiencia fosfatada. En soja micorrizada, el incremento en la eficiencia fosfatada fue intensificado bajo condiciones deficientes en P. Por el contrario, la mayor eficiencia de adquisición del girasol no estuvo asociada a las micorrizas sino a su morfología radical (raíces más finas). El relevamiento de la colonización micorrícica nativa en suelos de la Región Pampeana demostró que las micorrizas están muy presentes en estos sistemas. En soja, el incremento de la colonización ocurre justo en el punto donde el P edáfico se vuelve limitante para el crecimiento del cultivo. En esta tesis se identificaron características radicales que permiten incrementar la eficiencia de adquisición de P en soja y girasol, y que ayudan a explicar los diferentes requerimientos externos de P de estos cultivos con el maíz. Palabras Clave: eficiencia fosfatada, adquisición de P, morfología radical, porosidad radical, aerénquima, micorrizas, alometría, nutrición vegetal

xiv

ABSTRACT Soybean, sunflower and maize crops have different soil phosphorus (P) critical levels, this suggests that having different P efficiency. A more comprehensive understanding of the mechanisms of P efficiency is agronomically significant to advance in the design of crop management schemes that increase P efficiency and reduce the need of fertilizers. Phosphorus efficiency is defined as the ability of a plant to acquire P from the soil and/or to utilize it in the production of biomass. The objective of this thesis was to perform a comparative analysis of the P efficiency on soybean, sunflower and maize crops. Field and greenhouse experiments with plants growing at different P availabilities were conducted. First, I compared the ability of these crops to utilize and acquire soil P and I analyzed some root traits related to P efficiency. Whereas soybean and sunflower showed a higher P acquisition efficiency, maize exhibited a higher utilization efficiency. It was found that soybean and sunflower could acquire more P per unit of carbon invested belowground than maize, probably because of their root morphology and architecture. Second, I evaluated the development of root porosity and their effect on P acquisition efficiency. Although, P stress induced the formation of cortical aerenchyma in roots of the three species, this response was highest in soybean. Soybean was more efficient to uptake P than sunflower and maize related to the higher porosity in root tissue. Finally, I studied the contribution of micorrhizal colonization to the P efficiency. For soybean, the increases in P efficiency due to micorrhizal symbiosis were exacerbated under P deficient conditions. In contrast, the observed high acquisition efficiency for sunflower was not associated to mycorrhizae, but it was related to the root morphology (thinner roots). Field sampling of indigenous mycorrhizal colonization in soils of the Pampean Region showed that mycorrhizal fungus are ubiquitous in these systems. For soybean, the increases in the proportion of colonized roots occur just at the point where soil P becomes to be a growth limiting factor. In this thesis I identified root traits which allow increasing the P acquisition efficiency and contributing to explain the lower P critical levels of soybean and sunflower compared to maize. Key Words: phosphorus efficiency, P uptake, root morphology, root porosity, aerenchyma, mycorrhizae, allometrics, crops nutrition

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CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN GENERAL

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1.1) EL FÓSFORO EN EL SISTEMA AGRÍCOLA El fósforo (P) es, después del nitrógeno (N), el macronutriente que limita en

mayor medida el crecimiento vegetal (Schachtman et al. 1998). Su concentración en la planta se encuentra entre el 0,05 al 0,50% del peso seco total, dependiendo de la especie vegetal, del tipo y edad del tejido y de la disponibilidad de P en el suelo (Vance et al. 2003). Es esencial para una gran cantidad de procesos, incluyendo la generación de energía, síntesis de ácidos nucleicos, proteínas y vitaminas, fotosíntesis, glicólisis, respiración, división y alargamiento celular, síntesis y estabilización de membranas, activación/inactivación de enzimas, reacciones redox y fijación de nitrógeno (Vance et al. 2003). En síntesis, todos los procesos que requieren energía; desde la emergencia e implantación de plántulas y raíces hasta la formación de granos, son altamente dependientes de la oferta de P. En situaciones de deficiencia estos procesos quedan restringidos, por lo que se reduce el crecimiento de las plantas, dando como resultado un menor rendimiento, tanto en producción de biomasa como en grano (Marschner 1995).

Las plantas sólo pueden absorber P inorgánico bajo la forma de aniones ortofosfato (H2PO4

- y HPO42-) presentes en la solución del suelo. El P en el suelo se

encuentra combinado con otros elementos formando complejos orgánicos y minerales (inorgánicos) unido principalmente a los iones calcio (Ca2+), hierro (Fe3+) y aluminio (Al 3+), resultando en componentes de variada biodisponibilidad. En general, los suelos tienen grandes reservas de P total, pero sus niveles de P disponible suelen ser bajos. Los iones fosfato poseen una intensa interacción con la matriz del suelo y sólo se desplazan escasos milímetros, esta característica les da una alta resistencia a ser lixiviados en la mayoría de los suelos, pero al mismo tiempo puede causar una amplia deficiencia nutricional en la producción agrícola (Holford 1997).

Cuando un fertilizante fosfatado es aplicado al suelo, el P reacciona con los componentes del suelo, de manera que comienza a desaparecer el P de la solución al ser retenido por la fase sólida. Este fenómeno, conocido como fijación o retención de P, es continuo y comprende desde la adsorción en superficie hasta la precipitación del P con los iones del mineral. Como es difícil distinguir un proceso del otro, se usa el término sorción para describir todos los mecanismos de retención de P. Los principales factores del suelo que afectan la disponibilidad de P para los cultivos incluyen propiedades físicas (textura, aireación, compactación, temperatura y humedad), químicas (mineralogía, pH, materia orgánica, capacidad de adsorción, interacción con otros nutrientes) y biológicas (residuos, raíces, bacterias y micorrizas) (García et al. 2006). Todo esto hace que las plantas deban desarrollar diferentes estrategias para cubrir su demanda nutricional de P.

El ciclo del P en ecosistemas como el de la Región Pampeana es prácticamente cerrado por vías naturales, con un medio de salida excluyente que es su exportación por medio del producto cosechado. La evolución de los sistemas productivos en la región registra un cambio hacia una agricultura continua y el desplazamiento de la frontera agrícola hacia zonas tradicionalmente ganaderas (SAGPyA 2009). Esto unido a la expansión de la soja y la reducida aplicación de fertilizantes en el cultivo han generado balances negativos para los nutrientes del suelo, especialmente el P, con la consiguiente degradación de la fertilidad de los suelos (García 2006). Aunque se ha incrementado notablemente el uso de fertilizantes en los últimos años, los balances siguen siendo negativos (SAGPyA 2009). La utilización de fertilizantes fosfatados puede volverse una herramienta ineficaz desde el punto de vista económico y ambiental. En primer lugar, los fertilizantes constituyen la mayor proporción de los costos de producción,

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especialmente en los países subdesarrollados (Withers y Sharpley 1995). En Argentina, los fertilizantes fosfatados utilizados son importados en su totalidad (EE. UU., Rusia, Lituania, Marruecos, Túnez) (SAGPyA 2009), ya que no existen en el país yacimientos de roca fosfórica en explotación. Segundo, el P proveniente del fertilizante que no es absorbido por las plantas puede llegar a los recursos hídricos mediante escurrimiento, provocando el fenómeno de eutrofización en ambientes acuáticos (Sharpley et al. 1993). Tercero, las reservas mundiales de roca fosfórica son limitadas y no renovables y su explotación es ecológicamente peligrosa (Stewart et al. 2005). Si bien no hay información precisa acerca de la actual reserva mundial de P, las predicciones coinciden en un incremento en la demanda de fertilizantes para los siguientes años, haciendo que las reservas más accesibles de roca fosfórica puedan desaparecer dentro de los próximos 100 años (Gilbert 2009).

La degradación química del suelo atenta contra la sustentabilidad de la producción agrícola, por lo cual es necesario hallar estrategias alternativas para incrementar (o al menos mantener) los actuales niveles de rendimiento, conservando la calidad de lo producido y la productividad del suelo, sin incrementar la tasa de fertilización fosfatada (Lambers et al. 2006). Una estrategia ecológica y económicamente posible que beneficiaría a los agrosistemas de bajos insumos, pero también permitiría mejorar la sustentabilidad en los de altos insumos, es el desarrollo de cultivos y agrosistemas más eficientes en P (Lynch 1998).

La soja, el girasol y el maíz son los principales cultivos estivales de la Región Pampeana y están entre los más importantes cultivos de granos del mundo (SAGPyA 2010). En la última campaña (2009/10), el cultivo de soja se extendió a lo largo de 18,1 millones de hectáreas, seguido por los cultivos de maíz y girasol con 3,31 y 1,63 millones de hectáreas cultivadas, respectivamente (SAGPyA 2010). En la Tabla 1.1 se observa que la soja tiene altos requerimientos de P por unidad de grano producido en comparación con el maíz y el girasol. A pesar de que, bajo condiciones similares, la soja produce la mitad de biomasa por unidad de superficie que el maíz, la absorción total de P es de, aproximadamente, un 73% con respecto a la de maíz. Por otra parte, la soja ha mostrado baja respuesta a la fertilización con P en comparación con otros cultivos (García et al. 2006), pero las causas aún no han sido determinadas. El nivel de disponibilidad de P en el suelo a partir del cual los cultivos satisfacen sus requerimientos se lo denomina umbral o valor crítico. El mismo surge de la relación entre el rendimiento y el nivel de P disponible en el suelo. Dada la alta variabilidad de esta relación, resulta más apropiado definir rangos de suficiencia o críticos que valores puntuales. Para cultivos de soja en la Región Pampeana, los rangos de suficiencia oscilan entre 8 y 12 mg kg-1, para girasol entre 10 y 15 mg kg-1 y para maíz entre 15 y 20 mg kg-1 (Tabla 1.2). También se han reportado rangos críticos de P para maíz superiores a los de soja en la región centro-oeste de los Estados Unidos (Dodd y Mallarino 2005). Esto sugiere que dichos cultivos difieren en su eficiencia fosfatada. Tabla 1.1. Rendimiento y requerimientos de fósforo de soja, maíz y girasol.

Cultivo Rendimiento P en grano P total absorbido (tn ha-1) (kg P tn-1 grano) (kg P ha-1)

Soja 3 7,3 22 Girasol 2,5 5,2 13 Maíz 7,5 4 30

Elaborado a partir de García (2001), Berardo et al. (2003) y Andrade et al. (1996).

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Tabla 1.2. Umbrales críticos de fósforo disponible (Bray I) en el suelo (0-20 cm) para los cultivos de soja, girasol y maíz en la Región Pampeana.

Cultivo Zona Umbral Crítico (ppm)

Referencia

Soja Entre Ríos 9,5 Barbagelata et al. 2001; Melchiori et al. 2002

Soja SO Bs As 9 Melgar et al. 1995; Melgar y Díaz Zorita 1997

Soja Centro N Bs As 9 – 12 Scheiner et al. 1996; 1997; Gutiérrez Boem et al. 2002ab

Soja SE Córdoba 10 Baigorrí 1999

Soja R. Pampeana 8 – 13 Echeverría et al. 2002

Soja R. Pampeana 8 – 11 Echeverría y García 1998

Soja R. Pampeana 12 Díaz Zorita et al. 2002

Soja Santa Fé 10 – 12 Parra 1997; Fontanetto 2004

Soja 12,5 García et al. 2006

Girasol SO Bs As 10 – 12 Díaz Zorita 2004 Girasol SE Bs As 15 García et al. 2006

Maíz SE Bs As 16 – 17 García et al. 1997; 2006; García 2002

Maíz SE Bs As 15 – 17 secano

20 riego Berardo et al. 2001

Maíz O Entre Ríos 17 Mistrorigo et al. 2000

Maíz N Bs As 13 – 14 Ferrari et al. 2000

En una revisión de Vance et al. (2003) se describen dos grandes estrategias desarrolladas por los vegetales en ambientes limitantes en P; por un lado los procesos que permiten incrementar la absorción de P (mayor eficiencia de adquisición) y, por el otro lado, los procesos tendientes a hacer un uso más conservativo del mismo (mayor eficiencia de utilización). 1.2) EFICIENCIA FOSFATADA

La óptima nutrición fosfatada de los cultivos no sólo involucra los procesos que

determinan la oferta de P en el suelo, sino también los mecanismos vegetales que inciden sobre la adquisición y uso de este nutriente. La mayor parte de los trabajos que evalúan la eficiencia nutricional de los cultivos se han focalizado en el N, siendo sensiblemente menor el número de trabajos dedicados al P. En un sentido amplio, eficiencia se define como la relación entre las entradas y salidas (Fageria 2005). Más específicamente, la eficiencia fosfatada puede ser definida como la habilidad de una planta para adquirir P desde la rizósfera y/o incorporarlo o utilizarlo en la producción de biomasa a nivel de planta entera o en productos cosechables de la planta tales como granos, frutos, forraje, etc. (Blair 1993). La eficiencia nutricional de las plantas ha sido definida de diversas maneras y en diferentes contextos, según el objetivo planteado. Las definiciones de eficiencia fosfatada con las que se trabajó en esta tesis se definen en la Tabla 1.3.

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Tabla 1.3. Definiciones y unidades de eficiencia fosfatada que se utilizaron en esta tesis.

Definición Unidad Eficiencia de adquisición por peso radical mg P g raíz-1 Eficiencia de adquisición por longitud radical mg P m raíz-1 Eficiencia de utilización en biomasa g biomasa total mg P-1 Eficiencia de utilización en grano g grano mg P-1

La utilidad y las implicancias de cada una de estas definiciones de eficiencia nutricional difieren marcadamente entre sí. Las diferencias en la eficiencia de nutrientes pueden estar relacionadas a diferencias en la eficiencia de adquisición por las raíces, en la utilización por las plantas o en ambas (Marschner 1995). La importancia relativa de estos dos componentes dependerá de la especie vegetal y el genotipo, del nutriente en consideración y del nivel de producción.

Se han reportado considerables diferencias en la eficiencia fosfatada entre especies (Föhse et al. 1988; Yamaguchi y Tanaka 1990; Dechassa et al. 2003) y entre variedades dentro de una misma especie (Egle et al. 1999; Gaume et al. 2001; Rubio et al. 2003); algunas poseerían mayor habilidad que otras para adquirir y convertir el P en el producto deseado (por ejemplo, grano). Existen algunos antecedentes sobre eficiencia fosfatada en la literatura internacional en relación a los cultivos de maíz (Schenk y Barber 1979; Fageria y Baligar 1997; Bhadoria et al. 2004; Zhu et al. 2005a; Gill et al. 2005) y soja (Kalra y Soper 1968; Otani y Ae 1996a; Watt y Evans 2003). La información sobre el cultivo de girasol es menos abundante (Jocić y Sarić 1983; Otani y Ae 1996b). Es dificultoso realizar comparaciones interespecíficas en base a la literatura existente debido a las distintas metodologías de análisis empleadas. Por otro lado, no se han reportado trabajos comparativos que ilustren sobre las eventuales diferencias en eficiencia fosfatada entre los cultivos de soja, girasol y maíz bajo similares condiciones de crecimiento. Esta carencia de información disponible fue uno de los móviles que me llevaron a desarrollar el presente trabajo de tesis doctoral. 1.2.1) Eficiencia de adquisición de P

La eficiencia de adquisición de P refleja la capacidad de la planta para extraer P del suelo. La variedad de adaptaciones observadas en las raíces de diferentes especies para incrementar su capacidad de absorber P es superior a la verificada en otros nutrientes, incluyendo al N. Esta diversidad refleja que a lo largo de su evolución, las especies vegetales han debido enfrentar sucesivamente medios pobres en este elemento. Los mecanismos que determinan la eficiencia en la adquisición de P se pueden dividir en tres grupos principales: fisiológicos, morfológicos y simbióticos. 1.2.1.1) Mecanismos fisiológicos

La secreción de sustancias desde la raíz hacia el medio que las rodea permite a las plantas tomar P a bajas concentraciones en la solución del suelo y/o aprovechar fuentes orgánicas e inorgánicas poco solubles mediante modificaciones en la rizósfera (Vance et al. 2003; Lambers et al. 2006). El P orgánico constituye, aproximadamente, el 50% del P total del suelo. Para que pueda ser aprovechado por las raíces, primero debe ser mineralizado. Las raíces pueden excretar enzimas (fosfatasas y fitasas) que mineralizan formas orgánicas de P (Duff et al. 1994; Tarafdar y Claaseen 1988). La liberación de ácidos orgánicos (principalmente citrato y malato) por las raíces de varias

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especies también aumenta el P disponible en la rizósfera, debido a que forman quelatos con el Ca2+, Fe3+ y Al3+ movilizando el P ligado a dichos cationes (Jones 1998; Raghothama 1999; Ryan et al. 2001). Otro mecanismo que influye en la disponibilidad de P es la acidificación de la rizósfera, ocasionada principalmente por la absorción desbalanceada de aniones y cationes y la consecuente liberación de H+ u OH- (Thibaud et al. 1994). Las leguminosas asociadas con Rhizobium pueden satisfacer buena parte de sus requerimientos de N mediante la fijación simbiótica, de tal manera absorben más cationes que aniones y por lo tanto producen una mayor liberación de H+ generando como resultado una acidificación de la rizósfera. Este mecanismo favorece la solubilización de fosfatos cálcicos. Finalmente, la capacidad fisiológica de las raíces para absorber P está regulada por transportadores de alta y baja afinidad. En las concentraciones normales del P en el suelo, del orden de los micromoles, sólo el sistema de alta afinidad es el que actúa (Schachtman et al. 1998). Estos sistemas pueden ser caracterizados por medio de los parámetros que describen la cinética de absorción: Cmin, Km y Vmax. Las especies más eficientes deberían tener valores altos de Vmax y bajos valores de Cmin, lo que refleja la capacidad de absorber P a bajas concentraciones en la solución del suelo. Los mencionados mecanismos fisiológicos no serán tratados en esta tesis. Algunos de ellos (la excreción de enzimas solubilizadoras de P y la acidificación de la rizósfera) han sido motivo de estudio en dos tesis de maestría del mismo grupo de trabajo dirigido por los directores de esta tesis. 1.2.1.2) Mecanismos morfológicos

Las plantas poseen distintas características morfológicas que les permiten intensificar la exploración del suelo y, como consecuencia, incrementar la capacidad de acceder al P del suelo. En algunos casos estos mecanismos son inducidos específicamente en condiciones de deficiencia fosfatada. Una de las principales características para la adquisición de P y otros nutrientes que se mueven por difusión en el suelo es la arquitectura radical (Rubio et al. 2001; 2003). La arquitectura radical es la configuración espacial y temporal del sistema radical de la planta (Fitter 1991; Lynch 1995). Existen considerables diferencias en la arquitectura radical entre especies (Kutschera y Lichtenegger 1992 en Lynch 1995), entre genotipos de una misma especie (Ge et al. 2000; Liao et al. 2001; Lynch y Brown 2001) y entre diferentes partes de un sistema radical (Lynch 1995). Una óptima arquitectura radical es aquella que permite incrementar la adquisición de P con el mínimo costo de carbono; o aquella que optimiza el valor de P ganado con respecto al valor relativo de los recursos requeridos para el crecimiento radical, incluyendo al P (Lynch y Brown 2001). Las raíces basales más superficiales permiten una exploración más intensa de las primeras capas del suelo, esto puede ser ventajoso en ambientes limitantes en P; ya que, en la mayoría de los suelos agrícolas, la disponibilidad de P es mayor en los horizontes superficiales y, debido a su lento movimiento, disminuye con la profundidad (Chu y Chang 1966; Pothuluri et al. 1986). Distintos trabajos realizados con plantas de poroto demostraron que sistemas radicales con raíces más largas en la capa superior del suelo adquieren P más eficientemente que otros de similar tamaño (Lynch y Brown 2001; Rubio et al. 2001; Liao et al. 2001, 2004) y que tienen menor competencia entre raíces de la misma planta (Ge et al. 2000). Estudios de este tipo realizados en cereales son escasos. En un trabajo de Zhu et al. (2005a) con distintos genotipos de maíz, los autores encontraron que aquellos genotipos con un sistema radical más superficial estaban mejor adaptados a los ambientes con baja disponibilidad de P. Existen muy pocos trabajos donde se comparen sistemas radicales de diferentes especies. En un trabajo local realizado en el Oeste de la

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Región Pampeana, Di Nucci y Rubio (en preparación) observaron que plantas de soja, maíz y girasol mostraron un diferente patrón de distribución de raíces en función de la profundidad. En esos suelos carentes de impedancias que limiten el desarrollo radical, la soja es el cultivo que presentó la mayor concentración de raíces en los estratos superiores del perfil. Sin embargo, no hay datos reportados que avalen que debido a su distribución radical la soja es más eficiente en adquirir P.

Una mayor longitud radical asegura un mayor volumen de suelo desde el cual la planta puede abastecerse de P. Varios trabajos indican que el maíz tiene una longitud radical mayor que la soja (Barber 1978; Yamaguchi y Tanaka 1990; Materechera et al. 1991), lo cual es esperable habida cuenta del mayor tamaño de la gramínea. Una de las principales respuestas observadas bajo condiciones de deficiencia fosfatada es el incremento de la longitud radical total (Anghinoni y Barber 1980; Steingrobe 2001; Steingrobe et al. 2001). A pesar de la importancia de este parámetro en la adquisición de P, no siempre los cultivos con sistemas radicales más largos son los más eficientes en adquirir este elemento. En un trabajo realizado por Otani y Ae (1996a) el cultivo de maní, con un sistema radical mucho más pequeño que el del sorgo, absorbió casi el doble de P y fue varias veces más eficiente en cuanto al P adquirido por unidad de longitud radical. Según Watt y Evans (2003), la soja tiene una mayor longitud radical que el lupino, pero es menos eficiente en adquirir P. En tal sentido la longitud radical tendría una menor importancia relativa en relación a otros parámetros de la eficiencia fosfatada.

Un mecanismo importante para muchas especies creciendo bajo condiciones de deficiencia fosfatada es la partición diferencial de biomasa entre raíz y parte aérea. El enfoque ecofisiológico desarrollado por Mollier y Pellerin (1999) establece que la deficiencia de P reduce rápidamente el desarrollo foliar habiendo, por lo tanto, una menor demanda de carbohidratos. Este excedente de carbono es destinado a la raíz. En esta situación, el desarrollo radical se sostiene (Cakmak et al. 1994) e inclusive se puede estimular al menos en el corto plazo (Bates y Lynch 1996) aumentando, como consecuencia, la relación raíz-tallo. Esta respuesta ha sido observada en distintas especies incluyendo maíz (Anghinoni y Barber 1980; Fageria y Baligar 1997; Mollier y Pellerin 1999; Gaume et al. 2001; Bhadoria et al. 2004) y soja (Fredeen et al. 1989). Este incremento de la partición de asimilados hacia raíces (Marschner 1995) es, indudablemente, benéfico para la adquisición de P; sin embargo, el costo de carbono destinado a raíces es un componente importante que puede reducir la productividad de las plantas (Lynch y Ho 2005). Sin embargo, en la literatura varios estudios han reportado que las especies o genotipos más eficientes en absorber P no siempre son los que presentan la mayor relación raíz-tallo (Föhse et al. 1988; Dechassa et al. 2003; Dechassa y Schenk 2004; Gill et al. 2005). La teoría alométrica predice que la relación raíz-tallo es regulada por el tamaño de la planta siguiendo un coeficiente (K) característico de cada especie (Hunt 1990). Inicialmente, las plántulas presentan un mayor crecimiento de su sistema radical con respecto al crecimiento de hojas y tallo. Esta dominancia relativa de las raíces con respecto a la parte aérea disminuye gradualmente a medida que la planta crece. Si su crecimiento es inhibido por alguna condición de estrés en el ambiente esta tiende a incrementar la relación raíz-tallo, característica de las plantas pequeñas. Es decir que, el valor del coeficiente K determina que las plantas de tamaño reducido, ya sea porque son jóvenes o porque tienen algún factor de stress que limita su crecimiento, tendrán una mayor proporción de raíces. Por lo tanto, la relación raíz-tallo estaría en estrecha relación con el tamaño total de la planta.

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El diámetro radical define el volumen de suelo que está en contacto con la raíz (Atkinson 1991). Para una determinada cantidad de fotosintatos invertidos en biomasa radical, las especies o genotipos con raíces más finas pueden explorar un mayor volumen de suelo por unidad de superficie radical y, por lo tanto, ser más eficientes en la absorción de nutrientes poco móviles, como el P. Debido a que raramente se reportan en la literatura valores de mediciones directas de diámetro radical, el mismo se expresa frecuentemente como longitud radical específica (LRE) (longitud radical por unidad de biomasa radical) (Gahoonia y Nielsen 2004). Muchas especies responden a deficiencias de P incrementando su LRE, y esto puede ser alcanzado mediante la reducción de la densidad y/o del diámetro radical (Ryser 2006).

Es sabido el carácter plástico de la formación de pelos radicales (en longitud y densidad) en plantas creciendo con deficiencia fosfatada (Bates y Lynch 2000; Ma et al. 2001; Zhu et al. 2005b). Los pelos radicales son células especializadas de la capa exterior del tejido epidérmico de las raíces que se extienden en forma perpendicular al eje de la raíz, avanzando hacia el seno del suelo incrementando de dos a tres veces la superficie radical (Jungk 2001) con un bajo costo metabólico (Röhm y Werner 1987; Hetrick 1991). Su arreglo geométrico y su pequeño diámetro hacen que mejore notoriamente la capacidad de exploración de la rizósfera por las raíces, llegando a aumentar hasta 27 veces el volumen de suelo explorado por unidad de área radical (Jungk 2001). Los pelos radicales pueden, además, excretar sustancias a la rizósfera que mejoran la disponibilidad del P del suelo (Hinsinger 2001). Mediante el uso de modelos de simulación, Ma et al. (2001) mostraron los efectos de variar distintos parámetros de los pelos radicales sobre la eficiencia de adquisición de P en las plantas. Wang et al. (2004) encontraron en soja que la densidad y la longitud promedio de los pelos radicales estuvieron negativamente correlacionados entre sí, pero ambos correlacionaron de forma positiva con la longitud de pelos radicales por unidad de longitud radical, indicando un posible efecto compensatorio entre ambas características.

Algunas especies vegetales adaptadas a crecer en suelos extremadamente pobres en P son capaces de desarrollar estructuras radicales especializadas denominadas raíces proteoides o cluster. Estas estructuras están compuestas por un grupo de raicillas estrechamente agrupadas y cubiertas por pelos radicales (Skene 2003). Dadas sus características, no sólo pueden aumentar 16 veces la superficie radical y hasta 33 veces el volumen de suelo explorado (Lamont 2003), sino que además están especializadas en la síntesis y exudación de grandes cantidades de ácidos orgánicos, protones y fosfatasas, que ayudan a solubilizar el P que se encuentra menos disponible (Dinkelaker et al. 1995). Esta adaptación radical se produce principalmente en la familia de las Proteáceas y en ciertas especies de otras familias que no micorrizan o lo hacen débilmente (Skene 1998), sin embargo ninguna de las tres especies estudiadas en esta tesis son capaces de desarrollar raíces proteoides, por lo tanto este parámetro no será analizado.

La formación de aerénquima (tejido con gran espacio intercelular) en raíces es una típica adaptación a hipoxia causada por situaciones de anegamiento, aunque también puede ser inducida debido a una subóptima disponibilidad de nutrientes. Se ha demostrado la formación de aerénquima en raíces de maíz bien aireadas pero sometidas a estrés de P (Konings y Verschuren 1980; Drew et al. 1989; Fan et al. 2003). La misma respuesta ha sido observada en poroto (Fan et al. 2003) y en arroz (Lu et al. 1999), no habiendo registros de otras especies. La presencia de aerénquima radical podría aumentar la eficiencia fosfatada en ambientes con baja disponibilidad de P. Este aumento de la eficiencia fosfatada estaría relacionado con la reducción del costo metabólico de exploración del suelo (Lynch y Brown 1998), debido a que al reemplazar células corticales por espacio aéreo, se reduce la respiración radical de mantenimiento y

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el requerimiento de P (Fan et al. 2003). Sin embargo, en la bibliografía no hay trabajos que demuestren que las especies con mayor porosidad radical tengan mayor eficiencia de adquisición de P. 1.2.1.3) Mecanismos simbióticos

La adaptación más común que poseen las plantas para incrementar la adquisición de P es la asociación simbiótica entre las raíces y los hongos micorrícicos del suelo (Brundrett 2002). La gran mayoría (82%) de las plantas superiores tienen la capacidad de establecer relaciones simbióticas con los hongos micorrícicos arbusculares (HMA) (Brundrett 2002). En raíces micorrizadas, el incremento en la absorción de P se debe, por un lado, a la mayor extensión del suelo explorado, debido a la capacidad del micelio extraradical de crecer más allá de la zona de agotamiento de P (Kothari et al. 1991; George et al. 1995; Miller et al. 1995). Por otro lado, a un mayor movimiento del P hacia las hifas micorrícicas, producido por un aumento en la afinidad por los iones fosfato y por una menor concentración mínima (Cmin) requerida para absorber P (Shenoy y Kalagudi 2005). La tasa de absorción de P en raíces micorrizadas puede ser de 3 a 5 veces mayor que en raíces no colonizadas (Schachtman et al. 1998). Finalmente, se ha indicado que los HMA pueden solubilizar fuentes de P no disponibles directamente para las plantas, debido a la liberación de ácidos orgánicos, enzimas fosfatasas y metabolitos especializados (Shenoy y Kalagudi 2005).

El aporte nutricional de los HMA es evidente en suelos con deficiencia de P (Zhu et al. 2005a; Covacevich y Echeverría 2009), pero no deberían esperarse tales beneficios en suelos con altos niveles de P, probablemente, porque el costo de mantener la simbiosis fúngica supera el beneficio de obtener P adicional (Zhu et al. 2005a). En especies herbáceas y arbóreas, el costo de la simbiosis involucra entre un 4% a 20% de la fotosíntesis neta diaria (Lynch y Ho 2005).

La morfología radical puede predeterminar la respuesta a los HMA. Se ha demostrado que las plantas tienen menor respuesta a la micorrización cuando poseen raíces finas (con gran área) (Khalil et al. 1999), pelos radicales largos (Baylis 1975) y una relación raíz-tallo alta (Khalil et al. 1994). Pero también los HMA pueden alterar ciertos parámetros de la morfología radical (Zhu et al. 2005a) y, por lo tanto, modificar la eficiencia de adquisición de P.

Si bien existe un generalizado consenso del beneficio de la micorrización en los ecosistemas naturales, en los sistemas de producción agrícola su beneficio se encuentra en discusión y las respuestas de los cultivos a la micorrización es habitualmente impredecible (Peng et al. 1993; Ryan y Graham 2002; Bolleta et al. 2004). Aunque el cuerpo de conocimientos tiende a incrementarse, hay pocos estudios sobre la micorrización vesículo-arbuscular en los cultivos agrícolas de la Región Pampeana, (Covacevich et al. 1995, 2007; Covacevich y Echeverría 2000; Menéndez et al. 2001; Mendoza et al. 2005). Particularmente en lo referente a los cultivos de soja, girasol y maíz, no hay en la literatura estudios sobre la micorrización natural y el nivel de P disponible en el suelo. Esta relación debería ser tenida en cuenta para ajustar la dosis de fertilizante a aplicar para obtener buenos rendimientos sin reducir los niveles de micorrización, disminuyendo así costos y el riesgo de polución ambiental, sin olvidar otros efectos benéficos que producen los HMA como la mejora en la agregación del suelo (Rillig et al. 2002). 1.2.2) Eficiencia de utilización de P

El concepto de eficiencia en el uso de nutrientes aparece desde la formación misma de las especies, pues constituye un factor importante en la evolución de las

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plantas. Las especies más ‘eficientes’ en el uso de recursos suelen ser las más exitosas y productivas. Varios estudios han demostrado que la competencia subterránea por nutrientes es más intensa e involucra más vecinos que la competencia aérea por luz, por lo que la eficiencia en el uso de nutrientes es un aspecto clave en el éxito competitivo de las especies (Casper y Jackson 1997).

La eficiencia de utilización del P da una idea sobre el movimiento (distribución y translocación) del P dentro de la planta. El flujo de nutrientes dentro de una planta expuesta a condiciones de déficit nutricional, puede ser distinto al de plantas que se encuentran bajo condiciones ideales de crecimiento. Dada la importancia del P en los procesos metabólicos, como se mencionó al inicio, el crecimiento depende de una concentración mínima del nutriente en el tejido vegetal. La deficiencia de P reduce el crecimiento de las plantas dado que afecta la tasa de aparición de hojas (Cromer et al. 1993; Rodríguez et al. 1994; Gutiérrez Boem y Thomas 1998), la expansión foliar (Cromer et al. 1993; Gutierrez Boem y Thomas 2001) y la tasa de fotosíntesis a saturación por unidad de área foliar (Jacob y Lawlor 1991). Como consecuencia de la reducción en el área foliar también disminuye la cantidad de radiación interceptada y, por lo tanto, la biomasa total producida.

En la literatura se pueden encontrar distintas definiciones de “eficiencia de utilización de nutrientes”, según los criterios y objetivos planteados. La más comúnmente utilizada para comparar especies y variedades (dentro de una especie) es la eficiencia definida como la cantidad de biomasa producida por unidad de P absorbido (Tabla 1.3). Esto es equivalente a la inversa de la concentración de P en la planta. Otra forma de expresar la relación de eficiencia es utilizando la cantidad de producto cosechable (grano en el caso de los cereales) por unidad de P absorbido (Gourley et al. 1994).

Además de los índices de eficiencia mencionados, habría que destacar la importancia de distinguir los términos “eficiente” (altos rendimiento con bajo aporte de P) de “respuesta” (altos rendimientos con alta disponibilidad de P) (Ahmad et al. 2001). De acuerdo con estos términos, generalmente los programas de mejoramiento permiten seleccionar genotipos por su respuesta al P pero no por su eficiencia en la utilización del nutriente (Shenoy y Kalagudi 2005). Por lo tanto, se puede considerar que, en general, las especies y genotipos actuales son ineficientes en el aprovechamiento de este nutriente (Lynch 1998).

1.3) OBJETIVO E HIPÓTESIS GENERALES Los antecedentes descriptos indican que los umbrales críticos de P en soja,

girasol y maíz difieren entre sí, lo cual sugiere que su habilidad para adquirir y hacer uso de la oferta edáfica de P es diferente. En la presente tesis me propongo indagar sobre los mecanismos que darían origen a estas diferencias. El objetivo general de esta tesis es realizar un análisis comparativo de la eficiencia en la adquisición y utilización del P de los principales cultivos agrícolas estivales de la Región Pampeana (soja, girasol y maíz). Como hipótesis general se propone que el maíz tiene una menor eficiencia de adquisición de P que la soja y el girasol. Los objetivos y las hipótesis específicos son considerados en cada capítulo en particular.

La evaluación de las características de las plantas que determinan la eficiencia en la adquisición y uso del P con fines de mejoramiento vegetal ha sido objeto de estudios tanto a nivel intraespecífico (Kaeppler et al. 2000; Gahoonia y Nielsen 2004; Liao et al. 2004; Wang et al. 2004; Yan et al. 2004; Zhu et al. 2006) como a nivel interespecífico

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(Gahoonia et al. 1999; Dechassa et al. 2003; Bhadoria et al. 2004; Gill et al. 2005). Estudiar genotipos dentro de la misma especie permite identificar aquellos más eficientes y precisar cual de sus características determina su mayor habilidad en condiciones de provisión subóptima de P. Por medio de los protocolos tradicionales de mejoramiento o del empleo de herramientas moleculares, estas características pueden ser incorporadas y así crear nuevos genotipos más eficientes (Egle et al. 1999; Wissuwa y Ae 2001; George et al. 2005; Wang et al. 2009). Es agronómicamente significativa la comparación entre especies que difieren en sus umbrales críticos de P para promover el desarrollo de programas de fertilización conservativos y sustentables, además del aporte a la ponderación de características vegetales que pueden contribuir a la eficiencia de adquisición del elemento. Sin embargo, dado que muchos parámetros relacionados con la eficiencia fosfatada varían de acuerdo a las condiciones de crecimiento y que no es sencillo aislar el efecto individual de la eficiencia fosfatada; las plantas deben crecer bajo condiciones de crecimiento uniformes y equivalentes para poder comparar equitativamente su adquisición y utilización de nutrientes (Ahmad et al. 2001).

1.4) ORGANIZACIÓN DE LA TESIS Esta tesis se organizó en cinco capítulos: el presente capítulo introductorio (1),

tres capítulos con desarrollo experimental, en cada uno de los cuales se plantean los objetivos e hipótesis de trabajo correspondientes (2, 3 y 4) y un capítulo de discusión general (5). En el capítulo 2 se realizaron dos experimentos bajo condiciones de campo e invernáculo utilizando distintos niveles de disponibilidad de P con los cultivos de soja, girasol y maíz. Se evaluaron algunos de los mecanismos morfológicos que determinan la habilidad de estos tres cultivos para adquirir y utilizar P. En este capítulo también se incluye un enfoque alométrico para analizar la partición de biomasa entre los componentes aéreos y subterráneos de las plantas (i.e. relación raíz-tallo). Esta herramienta permitió analizar el efecto del P sobre dicha relación independizándose del tamaño de la planta. En el capítulo 3 se realizó un experimento bajo condiciones controladas en solución nutritiva con distintos niveles de P para evaluar el desarrollo de porosidad radical en respuesta a la deficiencia fosfatada y su efecto sobre la eficiencia de adquisición de P. En el capítulo 4 se evaluó el impacto de la asociación simbiótica con hongos micorrícicos en la eficiencia fosfatada. Para ello se diseñó un experimento en invernáculo con inoculación de micorrizas bajo distintos niveles de P. Además se evaluó la colonización micorrícica indígena en la Región Pampeana en cultivos de soja, girasol y maíz, con diferentes niveles de P disponible en el suelo. Finalmente, en el capitulo 5 (de discusión general) se tratan las implicancias agronómicas de los resultados obtenidos dentro del contexto general conocido, y se comentan los aportes originales de esta tesis y las posibles líneas de investigación a seguir generadas a partir de dichos resultados.

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CAPÍTULO 2

COMPARACIÓN DE LA EFICIENCIA DE ADQUISICIÓN Y UTILIZACIÓN DEL FÓSFORO EN SOJA, GIRASOL Y MAÍZ *

* Fernández MC, Belinque H, Gutiérrez Boem FH, Rubio G. 2009. Compared phosphorus efficiency in soybean, sunflower and Maize. Journal of Plant Nutrition 32: 2027-2043.

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2.1) INTRODUCCIÓN Aunque el P es abundante en la litosfera, es uno de los macronutrientes menos

disponibles e inaccesibles requerido por las plantas. Esto se debe a que puede formar complejos insolubles con el hierro, calcio y aluminio, ser adsorbido a las partículas del suelo, o estar unido a componentes orgánicos que deben ser enzimáticamente fragmentados para ser absorbido por los vegetales (Holford 1997; Horst et al. 2001). En los sistemas agrícolas, la exportación de P mediante las cosechas conduce a un continuo agotamiento del pool del nutriente disponible en el suelo. Los intentos de revertir la situación mediante el agregado de P utilizando fertilizantes es un tema de intenso debate, debido a cuestiones económicas y ambientales (costos de los fertilizantes fosfatados, contaminación de cursos de agua, agotamiento de las reservas de P mundiales) (Vance 2001).

Una estrategia ambientalmente benéfica y económicamente factible para mantener la alta productividad de los cultivos sin incrementar las tasas de fertilización fosfatada es el desarrollo de agrosistemas más eficientes en adquirir y utilizar el P del suelo (Lynch 1998). Un entendimiento integral de los mecanismos de la eficiencia fosfatada de las plantas nos permitiría avanzar en el diseño de esquemas de manejo de los cultivos que reduzcan la necesidad de fertilizantes.

El primer componente de la eficiencia fosfatada de las plantas es la ‘eficiencia de adquisición’, definida como la cantidad de nutriente absorbido por unidad de longitud, área o peso radical (Gourley et al. 1994). Dado que el P es muy inmóvil en el suelo, los atributos de las plantas que llevan a incrementar la eficiencia de adquisición de P están relacionados con el desarrollo radical mediante el cual son capaces de interceptar más P disponible del suelo o movilizar P a partir de fuentes poco solubles. Estos atributos incluyen a la arquitectura radical, la morfología radical, la asociación con micorrizas, a los transportadores de alta afinidad y alteraciones de la rizósfera (Lambers et al. 2006).

El segundo componente de la eficiencia fosfatada es la ‘eficiencia de utilización’, definida como la cantidad de biomasa producida por unidad de nutriente presente en dicha biomasa (Siddiqi y Glass 1981). Aquí están involucrados procesos tales como la removilización interna de P, modificaciones metabólicas que evitan pasos que requieren P, y la reducción en el consumo de P (Ahmad et al. 2001; Shenoy y Kalagudi 2005).

Existen algunos antecedentes en la literatura internacional sobre las características relacionadas con la eficiencia fosfatada en los cultivos de maíz (Schenk y Barber 1979; Fageria y Baligar 1997; Bhadoria et al. 2004; Zhu et al. 2005a; Gill et al. 2005) y soja (Kalra y Soper 1968; Otani y Ae 1996a; Watt y Evans 2003). La información sobre el cultivo de girasol es menos abundante (Jocić y Sarić 1983; Otani y Ae 1996b). Investigaciones previas han reportado que el maíz tiene una mayor eficiencia fosfatada que el maní (Bhadoria et al. 2004) y el trigo (Gill et al. 2005), lo cual ha sido relacionado con el tamaño del sistema radical y el mayor influjo de P en el cultivo de maíz. Es agronómicamente significativo comparar la respuesta al P de diferentes cultivos para promover el desarrollo de programas de fertilización conservativos y sustentables.

A lo largo del ciclo de crecimiento, las plantas distribuyen su biomasa hacia diferentes componentes. El modelo de partición de biomasa involucra un costo, dado que una mayor partición hacia un componente de la planta necesariamente implica que hay menos para particionar hacia otros órganos. La interpretación económica de la inversión vegetal asume que la selección natural ha modelado la partición vegetal con el

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fin de optimizar su crecimiento y competitividad (Bazzaz 1997). Esta teoría establece que la planta prioriza la partición hacia los componentes que le permiten incrementar la adquisición de aquellos recursos que limitan el crecimiento. En este sentido, la partición de biomasa entre órganos aéreos y subterráneos (i.e. relación raíz-tallo) es altamente relevante. Se considera que el desarrollo de la relación raíz-tallo está determinado, en parte, por la genética y en parte por el ambiente. Las plantas detectan el ambiente y responden a las fluctuaciones en la disponibilidad de recursos mediante regulaciones morfológicas y fisiológicas que alteran, entre otros procesos, el modelo de partición de carbono. En ambientes sin deficiencias de nutrientes, un sistema radical pequeño es suficiente para satisfacer los requerimientos nutritivos de la planta, ya que la alta disponibilidad de nutrientes compensa la menor inversión en biomasa radical (Bazzaz 1997). Bajo condiciones de escasa disponibilidad de nutrientes, las plantas suelen incrementar la proporción de biomasa particionada a raíces. Una mayor proporción de raíces, reflejada en mayores valores en la relación raíz-tallo, elevaría la capacidad del cultivo para adquirir más del recurso limitante y revertir parcialmente la limitante impuesta por tal nutriente (Lambers et al. 2006). En relación al estrés de P, esta respuesta ha sido observada en distintas especies incluyendo maíz (Anghinoni y Barber 1980; Fageria y Baligar 1997; Mollier y Pellerin 1999; Bhadoria et al. 2004) y soja (Fredeen et al. 1989).

El enfoque alométrico es una herramienta útil para evaluar la partición de biomasa entre diferentes órganos de la planta (Niklas 2005), basado en la relación logarítmica que existe entre dos componentes (raíz-parte aérea, hojas-tallo, etc.). Este enfoque ha sido exitosamente empleado para explicar los patrones de distribución de recursos en muchas especies (Nielsen et al. 2001; Niklas 2006; Rubio y Lynch 2007). La teoría alométrica predice que la relación de biomasa entre los componentes aéreos y subterráneos de las plantas (i.e. relación raíz-tallo) es regulada por el tamaño total de la planta, siguiendo un coeficiente característico de cada especie (Hunt 1990). Para la mayoría de las plantas, el valor de este coeficiente determina que las plantas de menor tamaño, ya sea porque son jóvenes o porque algún factor de stress está limitando su crecimiento, tendrán una mayor proporción de raíces que plantas más maduras o no estresadas. Considerando la partición óptima de biomasa, aún no está claro si la relación raíz-tallo está manejada por el tamaño de la planta o por las condiciones ambientales.

Los objetivos de este capítulo fueron i) comparar la habilidad de la soja, el girasol y el maíz para adquirir y utilizar P del suelo y evaluar algunos de los mecanismos morfológicos que determinan la eficiencia fosfatada; y ii) analizar la partición de biomasa a raíz en los mencionados cultivos mediante la teoría alométrica. Se pusieron a prueba las siguientes hipótesis: i) los cultivos de soja, girasol y maíz se ordenan de manera diferente según el índice de eficiencia fosfatada que se considere; y ii) la relación raíz-tallo está principalmente determinada por el tamaño total de la planta y no por la disponibilidad de P. La predicción planteada es que este último factor actuaría como determinante del tamaño de la planta pero no tendría un efecto per se sobre dicha relación. 2.2) MATERIALES Y MÉTODOS

Se realizaron dos experimentos; a campo y en invernáculo, con cultivos de soja (Glycine max L., Don Mario 4800 RR), girasol (Helianthus annuus L., Paraíso 20) y maíz (Zea mays L., DK628 RR).

15

2.2.1) Experimento a campo Se realizó un ensayo en un lote agrícola de la localidad de Alberti (35°02’ S,

60°16’ W), Provincia de Buenos Aires, manejado bajo siembra directa. El suelo es un Argiudol típico, de textura franco limosa, con un contenido de materia orgánica de 3,65% (Walkley y Black 1934), un pH suelo:agua 1:2,5 de 5,5 y una disponibilidad inicial de P (Bray 1) de 11 mg kg-1 suelo en los primeros 20 cm. El contenido de P disponible en el estrato siguiente (20-40 cm) fue de 7,1 mg kg-1 suelo.

Los tratamientos fueron dispuestos en un arreglo factorial de bloques completamente aleatorizados con 5 repeticiones y 2 factores: especie (soja, girasol y maíz) y nivel de P (bajo P – sin agregado de P por fertilizante, y alto P – con una aplicación de 50 kg P ha-1 como superfosfato triple (20% P) a la siembra). La combinación de tratamientos y repeticiones dio origen a 30 parcelas experimentales. Cada unidad experimental tuvo 6 m de largo por 5 surcos (distanciados a 0,70 m) de ancho (21 m2). La siembra se realizó manualmente en los surcos realizados por una sembradora de siembra directa, el 2 de noviembre de 2004. Se sembraron 36, 6 y 7 semillas m-1 lineal de soja, girasol y maíz, respectivamente. La nutrición nitrogenada se manejó siguiendo las prácticas comúnmente utilizadas por los productores; las parcelas de maíz y girasol fueron fertilizadas con el equivalente de 150 kg N ha-1 de urea (46% N) aplicada en superficie en el momento de la siembra. Las semillas de soja se inocularon en forma manual con un formulado comercial de Bradyrhizobium japonicum (109 bacterias ml-1). Para reducir el desarrollo de malezas, las mismas fueron controladas con aplicaciones periódicas de glifosato y permanente control manual. Las precipitaciones mensuales fueron 170, 165, 71,5, 86, 212, y 26 mm, para noviembre, diciembre, enero, febrero, marzo y abril, respectivamente. Estos valores estuvieron por encima de la media estacional para los cultivos de verano, por lo tanto no se aplicó irrigación adicional. A los 110 días después de la siembra se cosechó 1 m lineal de cada parcela (estado R3 para maíz y R5 para soja y girasol). El rendimiento en grano fue evaluado en el estado de madurez fisiológica para cada cultivo (169, 140 y 154 días después de la siembra para soja, girasol y maíz, respectivamente). 2.2.2) Experimento en invernáculo

Como segundo test de comparación entre los cultivos se realizó un experimento bajo condiciones de invernáculo. Se utilizó un diseño factorial completamente aleatorizado con 2 factores y 5 repeticiones. Los factores fueron especie (soja, girasol y maíz) y P (3 niveles: 0, 10 y 55 mg P kg-1 sustrato, añadido como KH2PO4). Macetas plásticas de 7 L de capacidad se llenaron con 9,5 kg de sustrato preparado con una mezcla de suelo tomado del mismo sitio donde se realizó el ensayo a campo (de 5-20 cm de profundidad) y arena lavada, en una proporción 2:1 suelo:arena, respectivamente (v:v). Previo a la siembra se realizó una fertilización basal con (cantidades por macetas): 2,5 g N ((NH2)2CO), y 400 mg S (K2SO4). Para compensar el K añadido como KH2PO4 a los tratamientos de bajo y medio P, se agregaron 900 y 730 mg K (KCl) a dichos tratamientos, respectivamente. Las semillas de soja se inocularon con Bradyrhizobium japonicum (109 bacterias ml-1). Se sembraron 3 semillas por maceta. Las plántulas se ralearon a los 5 días después de la siembra, dejando una plántula por maceta. Las plántulas crecieron con luz natural en un rango de temperaturas entre 20 y 30º C. Las macetas se mantuvieron a capacidad de campo. La cosecha de las plantas se realizó a los 45 días después de la siembra.

16

2.2.3) Muestreo y mediciones En el experimento a campo, las muestras de suelo para la evaluación radical se

tomaron en dos posiciones: en el surco y en el entresurco. Se utilizaron barrenos de 2 diámetros diferentes: uno de 47,8 mm en el estrato de 0-30 cm de suelo, y otro de 18,9 mm en capas más profundas (30-70 cm). Las muestras de suelo se separaron en capas de 10 cm para evaluar la proporción de raíces en cada estrato de suelo. La distribución radical en el perfil del suelo se determinó como el porcentaje del total de longitud y biomasa en cada capa de suelo. En el experimento en invernáculo, se recuperó el sistema radical completo de cada maceta. Las raíces fueron cuidadosamente separadas del suelo mediante lavado y tamizado (0,6 mm) del suelo. Las raíces limpias se tiñeron con violeta de metilo diluido en etanol (1‰) antes de ser escaneadas, para lograr un mejor contraste en la imagen. La longitud y el diámetro radical fueron cuantificados mediante el software de análisis de imágenes Rootedge (Kaspar y Ewing 1997). El área radical se calculó a partir de estos parámetros. La parte aérea de las plantas se separó en diferentes compartimientos (hojas, tallos, estructuras reproductivas) y, junto con las raíces, se colocaron en estufa a 60ºC durante 3 días para obtener los pesos secos de cada órgano. Los valores de biomasa seca radical y aérea total se utilizaron para calcular la relación raíz-tallo. La longitud radical específica (LRE) se calculó como la longitud radical total por unidad de biomasa radical y el área radical específica (ARE) como el área radical total por unidad de biomasa radical. Submuestras de material vegetal molido (70 mg) se calcinaron a 500ºC durante 24 h. Las cenizas obtenidas se disolvieron en 8 ml de HCl 0.1 M y la concentración de P en cada órgano vegetal se determinó colorimétricamente (Murphy y Riley 1962). Todas las determinaciones se realizaron por duplicado.

Los parámetros obtenidos se clasificaron en relación a la eficiencia de adquisición de P (P absorbido por unidad de longitud o biomasa radical, arquitectura radical, LRE y ARE) o a la eficiencia de utilización de P (por unidad de biomasa y de grano). 2.2.4) Cálculos de eficiencia de P (i) utilización de P para biomasa = biomasa total / P total absorbido (g mg P-1) (ii) utilización de P para grano = biomasa en grano / P total absorbido (g mg P-1) (iii) P absorbido por unidad de longitud radical = P total absorbido / longitud radical total

(mg P m-1) (iv) P absorbido por unidad de biomasa radical = P total absorbido / biomasa radical total

(mg P g-1) 2.2.5) Relaciones alométricas

Para evaluar el modelo de partición de biomasa entre los componentes aéreos y radicales en los cultivos de soja, girasol y maíz, los datos fueron obtenidos a partir de los ensayos a campo y en invernáculo detallados anteriormente. El muestreo de raíces y biomasa aérea se realizó como se describió arriba. En el experimento a campo, la cosecha se realizó en tres momentos: a los 35, 75 y 110 días desde la siembra. En el experimento en macetas se realizaron 2 cosechas: a los 25 y 45 días después de la siembra. El coeficiente alométrico se calculó a partir de mediciones apareadas de biomasa radical y aérea. De acuerdo con Hunt (1990), la fórmula numérica que describe la relación alométrica entre estos órganos es:

log MR = log b + K log MA (1)

17

donde MR es la biomasa de raíces, b es una constante de normalización, K es el coeficiente alométrico y MA es la biomasa de la parte aérea. 2.2.6) Análisis estadístico

Los datos recolectados se analizaron estadísticamente mediante análisis de varianza y las medias se compararon con el test LSD Fisher (P<0,05). Para satisfacer los supuestos del ANOVA, se chequearon la normalidad y la homogeneidad de varianzas.

Para testear las relaciones alométricas, los datos de biomasa se transformaron mediante una función logarítmica (log10). Cuando las variables de interés son biológicamente interdependientes y cuando se busca establecer relaciones funcionales más que predictivas, el modelo de eje mayor reducido o estandarizado resulta más apropiado que el de regresión lineal simple (Warton et al. 2006). La línea ajustada por este método no cambia al permutar las variables Y y X (es decir, la pendiente de Y vs. X es la recíproca de la pendiente de X vs. Y). Ya que el objetivo de la alometría es describir como dos variables están relacionadas, el coeficiente alométrico (K) se calculó de acuerdo al análisis de regresión de eje mayor reducido (Niklas 2006) o estandarizado (Warton et al. 2006):

KRMA = KOLS r--1 (2)

donde KRMA es el coeficiente de eje mayor reducido, KOLS es la pendiente de la relación logarítmica entre raíz y parte aérea (log-log) de acuerdo a la ecuación (1), calculada mediante análisis de regresión simple por mínimos cuadrados (OLS), y r es el coeficiente de correlación de la regresión simple. El análisis de regresión de eje mayor reducido se realizó utilizando el software SMATR v. 2.0 (Warton et al. 2006) con un nivel de significancia del 5% (P<0,05).

2.3) RESULTADOS 2.3.1) Parámetros de crecimiento

El maíz tuvo los valores más altos en cuanto a los parámetros relacionados con la acumulación de biomasa, seguido por la soja en el experimento a campo y por el girasol en el de invernáculo (Tabla 2.1 y 2.2). La interacción entre especie y P no siguió un modelo consistente para estos parámetros: esta interacción fue estadísticamente significativa en el experimento de invernáculo pero no fue significativa en el de campo. El incremento del aporte de P promovió significativamente el crecimiento de las plantas de las tres especies en ambas condiciones. En el campo, el aporte de P no afectó la producción de biomasa aérea, pero si se observó un incrementó en la biomasa total y radical. La mayor disponibilidad de P incrementó el rendimiento de la soja y el maíz, pero no afectó el rendimiento del girasol (Tabla 2.2). Los valores más altos de relación raíz-tallo fueron los de maíz, en ambos experimentos (Tabla 2.1 y 2.2). El maíz también tuvo los mayores valores de longitud radical (Tabla 2.1 y 2.2). En el campo la longitud radical no fue afectada por la fertilización fosfatada, pero si se redujo con la dosis menor de P en el experimento en invernáculo (Tabla 2.1).

18

Tabla 2.5. Valores F, significancia y comparación de medias para los experimentos de campo y en invernáculo.

Factores Comparación de medias

Especie Especie (E) Nivel de P

Interacción E x P

Soja Girasol Maíz Nivel de P

Experimento a campo Biomasa total 62,93** 15,99** 0,42ns b c a AP>BP Biomasa aérea 33,91** 1,76ns 0,64ns b b a Biomasa radical 14,84** 7,59* 0,74ns b c a AP>BP Rendimiento en grano 289,50** 12,16** 3,08ns b c a AP>BP Relación raíz-tallo 3,85* 3,02ns 0,05ns ab b a Longitud radical 10,12** 2,20ns 0,91ns a b a Utilización de P para biomasa 51,25** 22,92** 0,03ns b b a BP>AP Utilización de P para grano 124,20** 12,50** 1,06ns b b a BP>AP Longitud radical específica (LRE) 37,50** 7,85* 3,84* Área radical específica (ARE) 29,51** 14,60** 4,66* Diámetro radical promedio 19,31** 1,65ns 0,14ns b b a Superficie radical por longitud radical 22,01** 1,31ns 0,15ns b b a Proporción de longitud radical 0-20 3,67* 0,60ns 0,43ns a b b Proporción de biomasa radical 0-20 1,53ns 4,15ns 2,62ns Absorción de P por unidad de longitud radical 2,21ns 1,67ns 0,63ns Absorción de P por unidad de biomasa radical 19,51** 1,61ns 4,17*

19

Tabla 2.1. (continuación)

Factores Comparación de medias

Especie Nivel de P Especie (E) Nivel de P

Interacción E x P

Soja Girasol Maíz B M A

Experimento en invernáculo Biomasa total 197,17** 92,82** 7,38**

Biomasa aérea 186,38** 101,09** 7,93** Biomasa radical 169,33** 36,67** 4,62** Relación raíz-tallo 4,75* 18,77** 0,51ns b a a a a b Utilización de P para biomasa 8,26** 77,66** 1,90ns b b a a b c Longitud radical 58,67** 4,69* 1,74ns c b a b a a Longitud radical específica (LRE) 15,81** 25,37** 1,64ns a b c a b c Área radical específica (ARE) 3,41* 19,98** 0,78ns ab a b a b c Diámetro radical promedio 58,20** 18,19** 6,32** Superficie radical por longitud radical 58,14** 18,16** 6,30** Absorción de P por unidad de longitud radical 0,34ns 53,71** 0,61ns b a a Absorción de P por unidad de biomasa radical 6,89** 95,14** 0,69ns a ab b b b a En el test de comparación de medias a > b > c, letras iguales indican que no hay diferencias significativas entre los tratamientos (P>0,05) mediante el test LSD de Fisher. Diferencias significativas: * P<0,05; ** P<0,01; ns P>0,05. BP = bajo P; MP = medio P; AP = alto P.

20

Tabla 2.2. Biomasa aérea, radical y total, relación raíz tallo, longitud radical y área por unidad de longitud radical en los experimentos de campo y de invernáculo. Rendimiento en grano y proporción de longitud radical y biomasa radical en el estrato de suelo de 0-20 cm, en el experimento a campo.

Tratamiento Biomasa aérea Biomasa radical Biomasa total Relación raíz-tallo

Rendimiento en grano

Longitud radical

Área por unidad de longitud

radical

Longitud radical 0-20

Biomasa radical 0-20

Especie Nivel de P

Experimento a campo (kg m-2) (kg m-2) (km m-2) (cm2 m-1) (%) Soja B 1,50 (0,09) 0,17 (0,03) 1,65 (0,10) 0,13 (0,02) 0,40 (0,04) 9,80 (0,88) 13,67 (0,50) 70 (3) 81 (1) A 1,60 (0,14) 0,28 (0,13) 1,97 (0,12) 0,20 (0,10) 0,57 (0,05) 11,09 (0,78) 13,93 (0,35) 68 (3) 77 (7) Girasol B 1,38 (0,09) 0,05 (0,005) 1,34 (0,03) 0,05 (0,01) 0,33 (0,03) 5,24 (0,44) 14,16 (0,29) 58 (3) 68 (2) A 1,40 (0,14) 0,14 (0,02) 1,71 (0,19) 0,11 (0,01) 0,33 (0,02) 9,42 (1,14) 14,89 (0,64) 63 (6) 79 (7) Maíz B 2,19 (0,08) 0,31 (0,06) 2,48 (0,06) 0,14 (0,03) 1,16 (0,02) 13,16 (1,52) 17,10 (0,83) 59 (2) 72 (4) A 2,47 (0,12) 0,53 (0,05) 3,00 (0,14) 0,22 (0,02) 1,35 (0,07) 13,19 (1,91) 17,77 (0,67) 62 (2) 87 (2)

Experimento en invernáculo (g planta-1) (m planta-1)

Soja B 2,72 (0,23) f 0,58 (0,05) e 3,30 (0,27) f 0,21 (0,01) 149 (14,6) 8,06 (0,26) fg M 4,59 (0,51) ef 0,84 (0,10) e 5,43 (0,57) ef 0,19 (0,02) 204 (30,0) 7,87 (0,20) g A 13,77 (0,52) d 2,21 (0,12) cd 15,98 (0,62) d 0,16 (0,01) 331 (34,6) 9,03 (0,18) ef Girasol B 7,54 (0,54) e 1,79 (0,06) d 9,33 (0,54) e 0,24 (0,02) 371 (17,9) 10,42(0,50) cd M 13,87 (1,07) d 3,07 (0,15) bc 16,93 (1,17) d 0,22 (0,01) 612 (51,4) 9,56 (0,13) de A 20,66 (2,17) c 3,67 (0,40) b 24,33 (2,48) c 0,18 (0,01) 493 (101,4) 11,30 (0,53) bc Maíz B 15,95 (2,74) d 3,91 (0,62) b 19,86 (3,32) cd 0,25 (0,02) 713 (98,2) 9,60 (0,28) de M 29,61 (1,53) b 6,83 (0,27) a 36,44 (1,88) b 0,23 (0,01) 859 (67,2) 12,02 (0,63) ab

A 40,64 (1,11) a 6,83 (0,47) a 47,47 (1,24) a 0,17 (0,01) 721 (58,2) 13,06 (0,30) a

Para cada columna, a > b > c > d > e > f > g, letras iguales indican que no hay diferencias significativas entre los tratamientos (P<0,05) mediante el test LSD de Fisher. Entre paréntesis se encuentran los valores de error estándar. En el experimento a campo, las interacciones especie x nivel de P no fueron significativas y la relación raíz-tallo y la longitud radical no fueron significativas en ambos experimentos. B = bajo P; M = medio P; A = alto P.

21

2.3.2) Parámetros relacionados con la eficiencia de adquisición de P Las variables directamente relacionadas con la eficiencia de adquisición de P

mostraron diferencias notorias entre especies. El maíz consistentemente tuvo menores valores de LRE que la soja y el girasol (Tabla 2.1, Figura 2.1a). Las diferencias entre estas dos últimas especies no fueron del todo claras. En el campo, la soja tuvo menor LRE que el girasol, mientras que lo contrario sucedió en el experimento de invernáculo. Esta variable también estuvo afectada por el nivel de P y por el tipo de experimento. Con deficiencia de P se incrementaron significativamente los valores de LRE en ambos experimentos y en las tres especies. En ambos experimentos, el girasol tuvo mayor ARE que el maíz, mientras que la soja mostró valores intermedios (Tabla 2.1, Figura 2.1b). El ARE fue significativamente afectada por el nivel de P: las plantas con alto P mostraron menores valores de ARE. Las variaciones en diámetro medio radical se asemejaron a las variaciones observadas en LRE (Tabla 2.1, Figura 2.1): las raíces de maíz fueron más gruesas que las de soja y girasol. Las raíces de maíz tuvieron mayor superficie por unidad de longitud radical en ambas condiciones de crecimiento (Tabla 2.1 y 2.1), probablemente relacionado con el mayor diámetro radical (Figura 2.1c).

0

50

100

150

200

250

300

350

bbc

cdbc

a

d

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

BP AP BP MP AP

ab abcefdegdecd

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0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

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b

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Experimento a campo Experimento en invernáculo

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1 )D

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)

maíz

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c

0

50

100

150

200

250

300

350

bbc

cdbc

a

d

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

BP AP BP MP AP

ab abcefdegdecd

bfg

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

b

c

bbb

a

Experimento a campo Experimento en invernáculo

LRE

(m

g-1

)A

RE

(m

2g-

1 )D

iám

etro

rad

ical

(mm

)

maíz

sojagirasol maíz

sojagirasol

a

b

c

Figura 2.1. (a) Longitud radical específica, (b) área radical específica y (c) diámetro medio radical para soja, girasol y maíz bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P) en los experimentos de campo e invernáculo. Las barras representan el error estándar de las medias. Los tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P<0,05), para la interacción especie x nivel de P.

22

La soja mostró el sistema radical más superficial, representado por la proporción de raíces en los primeros 20 cm del perfil del suelo (Tabla 2.1 y 2.2). El 69% de la longitud radical total encontrada en soja se concentró en este estrato. En girasol y maíz esta proporción fue 60% y 61%, respectivamente. Este índice no fue afectado por el nivel de P (Tabla 2.1 y 2.2).

No se encontró efecto de especie en la absorción de P por unidad de longitud radical (Tabla 2.1, Figura 2.2a), en ninguno de los dos experimentos. En el campo, la soja absorbió en promedio 0,28 mg P m-1, el girasol 0,33 y el maíz 0,21. En el experimento en invernáculo, la deficiencia fosfatada causó una reducción en esta variable. Cuando la absorción de P se midió sobre la base de biomasa radical, el maíz mostró los valores más bajos en ambos experimentos (Tabla 2.1). Las diferencias entre la soja y el girasol no fueron claras, dado que estas dependieron del nivel de P y de las condiciones de crecimiento (Figura 2.2b). El nivel de P sólo afectó la absorción de P por unidad de biomasa radical en las plantas creciendo bajo condiciones de invernáculo, de manera similar a lo observado cuando la absorción de P se calculó sobre la base de longitud radical.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

(mg

P m

-1 ra

íz)

0

10

20

30

40

50

60

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a

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Experimento a campo Experimento en invernáculo

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0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

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10

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30

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50

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Experimento a campo Experimento en invernáculo

maíz

sojagirasol maíz

sojagirasol

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Efic

ienc

iade

adq

uisi

ción

de P

Figura 2.2. Eficiencia de adquisición de P expresada como (a) absorción de P por unidad de longitud radical y (b) absorción de P por unidad de biomasa radical para soja, girasol y maíz bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P) en los experimentos de campo e invernáculo. Las barras representan el error estándar de las medias. Los tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P<0,05), para la interacción especie x nivel de P. 2.3.3) Parámetros relacionados con la eficiencia de utilización de P

El maíz tuvo la más alta eficiencia de utilización de P, calculada mediante la cantidad de biomasa producida por unidad de P absorbido. Por el contrario, esta variable mostró un patrón similar para la soja y el girasol (Tabla 2.1, Figura 2.3a). El maíz produjo en promedio 1,11 g de biomasa total por mg de P absorbido en el campo y 0,70

23

g mg-1 P en el experimento en invernáculo, mientras que la soja produjo 0,66 y 0,56, y el girasol 0,71 y 0,63 g mg-1 P, respectivamente. Como se esperaba, el alto aporte de P redujo la eficiencia de utilización en ambos experimentos (Tabla 2.1): se observó una reducción de casi 21% a 51% en las plantas con alto P en los experimentos de campo e invernáculo, respectivamente (Figura 2.3a). Cuando la eficiencia de utilización de P se calculó sobre la base del rendimiento en grano producido por unidad de P absorbido, se observó un patrón de respuesta similar en cuanto a especies y niveles de P (Tabla 2.1, Figura 2.3b).

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

(g b

iom

asa

mg-1

P)

BP MP AP

0

0,2

0,4

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BP AP

(g g

rano

mg-1

P)

Experimento a campo Experimento en invernáculo

maíz

sojagirasol

a

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Efic

ienc

iade

util

izac

ión

de P

0

0,3

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1,2

1,5

1,8

(g b

iom

asa

mg-1

P)

BP MP AP

0

0,2

0,4

0,6

0,8

BP AP

(g g

rano

mg-1

P)

Experimento a campo Experimento en invernáculo

maíz

sojagirasol maíz

sojagirasol

a

b

Efic

ienc

iade

util

izac

ión

de P

Figura 2.3. Eficiencia de utilización de P expresada como (a) biomasa total por unidad de P absorbido en el experimento a campo y en invernáculo; y (b) como grano producido por unidad de P absorbido en el experimento a campo, para soja, girasol y maíz bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P). Las barras representan el error estándar de las medias.

En el experimento en macetas se encontró que la soja creciendo en niveles bajo y medio de P, y el girasol con bajo P aumentaron la proporción de P total que es retenida en hojas en relación al tratamiento con alto P mientras que redujeron la proporción de P en tallos (Tabla 2.3). El maíz no mostró variación en el porcentaje de P total retenido en hojas entre niveles de P. De la misma manera, la soja con bajo P mantuvo una alta concentración de P en hojas con respecto al tratamiento de alta disponibilidad de P (71%). Para la misma variable los porcentajes encontrados en girasol y maíz fueron del 55 y 45%, respectivamente. Mientras que el maíz mantuvo una mayor concentración de P en raíces en comparación con la soja y el girasol (Tabla 2.3).

24

Tabla 2.3. Porcentaje del P total y concentración de P en hojas, tallos y raíces, en el experimento en invernáculo. BP/AP: porcentaje de concentración de P en el tratamiento con bajo P en relación al tratamiento con alto P.

Porcentaje del P total Concentración de P

Tratamiento Hojas Tallos Raíz Hojas BP/AP Tallos BP/AP Raíces BP/AP (mg P g-1) (%) (mg P g-1) (%) (mg P g-1) (%) Soja BP 64,2 a 25,0 f 10,9 2,178 71,0 a 1,350 47,6 ab 0,872 cd 48,2 b MP 62,0 a 28,5 e 9,5 2,191 1,514 0,994 c AP 53,4 cd 37,3 ab 9,3 3,069 2,838 1,808 a Girasol BP 57,9 b 31,5 de 10,6 2,067 55,2 b 1,004 39,8 b 0,725 de 47,3 b MP 53,5 cd 33,7 cd 12,8 2,067 0,924 0,913 c AP 52,1 cd 39,5 a 8,4 3,746 2,521 1,533 b Maíz BP 54,2 bcd 35,8 bc 9,9 1,225 45,2 c 1,280 53,6 a 0,560 e 58,1 a MP 54,8 bcd 36,8 abc 8,4 1,518 1,407 0,584 e

AP 56,6 bc 37,4 ab 5,9 2,711 2,387 0,964 c ANOVA valores de F Especie 16,36*** 24,71*** 4,77** 21,70*** 40,18** 6,34** 29,90** 62,50*** 9,43* Nivel de P 9,80*** 31,94*** 5,91** 66,25*** 86,38*** 130,73*** Especie x Nivel de P 7,57*** 5,96*** 1,71 n.s. 2,33 n.s. 1,33 n.s. 6,42*** Dentro de cada columna, letras iguales indican que no hay diferencias significativas entre los tratamientos (P<0,05). * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05) mediante el test LSD de Fisher. BP = bajo P; MP = medio P; AP = alto P.

25

2.3.4) Relaciones alométricas Se determinaron los modelos de partición de biomasa entre los componentes

aéreos y radicales de soja, girasol y maíz. Los coeficientes de correlación (r2) de las relaciones log-log presentaron valores muy altos, desde 0,88 a 0,99 (Tabla 2.3). Estos altos ajustes fueron consistentemente observados en todo el rango de tratamientos y condiciones experimentales evaluadas: en los experimentos de campo e invernáculo, en las tres especies y en los diferentes niveles de disponibilidad de P. No se encontraron diferencias significativas entre los coeficientes alométricos de partición de biomasa (KRMA) para los distintos tratamientos con P, en ninguna de las especies evaluadas (Tabla 2.3). Por lo tanto, plantas de diferentes edades y condición fosfatada ajustaron la misma línea alométrica (Figura 2.4 y 2.5). Tabla 2.4. Coeficiente alométrico (KRMA), coeficiente de correlación (r2) y valor p para la comparación entre tratamientos de nivel de P para cada cultivo en los ensayos de campo e invernáculo.

Cultivo Soja Girasol Maíz r2 KRMA r2 KRMA r2 KRMA Campo Bajo P 0,91 0,96 0,98 0,90 0,96 1,03 Alto P 0,88 0,95 0,96 0,94 0,96 1,08 Valor p 0,778 0,466 0,536 Invernáculo Bajo P 0,98 0,82 0,96 0,91 0,97 0,89 Medio P 0,97 0,82 0,98 0,86 0,99 0,97 Alto P 0,99 0,82 0,98 0,95 0,99 0,96 Valor p 0,999 0,274 0,457

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1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

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1

2

3

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6

1 2 3 4 5 6

log

biom

asa

radi

cal

Soja

Girasol

Maíz

log biomasa aérea

bajo Palto P

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6

log

biom

asa

radi

cal

Soja

Girasol

Maíz

log biomasa aérea

bajo Palto Pbajo Pbajo Palto P

Figura 2.4. Relaciones alométricas entre la biomasa de raíces y de parte aérea de los datos transformados (log10) de plantas de soja, girasol y maíz (unidades originales en mg de materia seca por planta) creciendo en condiciones de campo con bajo y alto nivel de P.

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log

biom

asa

radi

cal

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6

bajo P

alto Pmedio P

Soja

Girasol

Maíz

log biomasa aérea

log

biom

asa

radi

cal

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6

bajo P

alto Pmedio Pbajo P

alto Palto Pmedio P

Soja

Girasol

Maíz

log biomasa aérea

Figura 2.5. Relaciones alométricas entre la biomasa de raíces y de parte aérea de los datos transformados (log10) de plantas de soja, girasol y maíz (unidades originales en mg de materia seca por planta) creciendo en condiciones de invernáculo con bajo, medio y alto nivel de P.

Dado que el P no afectó los valores de KRMA, se analizaron globalmente ambos

experimentos y todos los niveles de P (Figura 2.6). Los coeficientes alométricos KRMA obtenidos fueron 0,92, 0,91 y 0,95 para soja, girasol y maíz, respectivamente (Tabla 2.5).

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1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6

log

biom

asa

radi

cal

log biomasa aérea

soja

girasolmaíz

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6

log

biom

asa

radi

cal

log biomasa aérea

soja

girasolmaíz

Figura 2.6. Relaciones alométricas entre la biomasa de raíces y de parte aérea de los datos transformados (log10) de plantas de soja, girasol y maíz (unidades originales en mg de materia seca por planta).

Tabla 2.5. Coeficiente de correlación (r2) y coeficiente alométrico (KRMA) para los cultivos de soja, girasol y maíz en ambos experimentos (campo e invernáculo) y para todos los niveles de P.

Parámetro r2 KRMA Especie Soja 0,91 0,92 Girasol 0,89 0,91 Maíz 0,94 0,95

2.4) DISCUSIÓN 2.4.1) Comparación de la eficiencia de adquisición y utilización de P

De los resultados obtenidos la principal observación es que la soja, el girasol y el maíz se comportaron de manera diferente de acuerdo a la eficiencia fosfatada que se considere. La soja se ubicó cerca del girasol en muchas de las variables mientras que el maíz, en general, respondió de manera diferente a las otras dos especies.

La soja fue la especie con el sistema radical más superficial, representado por la proporción de longitud radical total localizada en los primeros 20 cm de profundidad del suelo (Tabla 2.1 y 2.2). Poseer una gran proporción del sistema radical cerca de la superficie del suelo sería altamente benéfico en términos de eficiencia fosfatada, dado que el P se concentra comúnmente en las primeras capas del suelo (Lynch y Brown 2001; Rubio et al. 2003). Sin embargo, en suelos donde el nivel de P del suelo es bajo debido a la exportación agrícola, tal concentración de P en el estrato superior del suelo puede no existir o no ser muy notoria. De hecho, en el Molisol utilizado en el experimento de campo, se observó una distribución bastante uniforme de P disponible

29

en el perfil del suelo hasta los 40 cm, lo cual debería disminuir el efecto potencial del sistema radical superficial sobre la eficiencia de adquisición de P.

En ambos experimentos, la soja y el girasol mostraron consistentemente mayores valores de LRE y ARE que el maíz, lo cual significa que los primeros tuvieron una morfología radical más favorable para adquirir nutrientes inmóviles. Una mayor LRE in soja con respecto al maíz, también fue reportado por Yamaguchi y Tanaka (1990) en un estudio a campo, y por Nurlaeny et al. (1996) en un experimento en macetas. Interesantemente, se encontró que la absorción de P por unidad de longitud radical fue similar entre las tres especies, aunque el maíz claramente mostró menor absorción de P por unidad de biomasa radical (Figura 2.2). Esto puede ser explicado por las diferencias observadas en LRE y ARE. Estas variables son relevantes en términos de partición de carbono, debido a que definen el volumen de suelo que puede ser explorado por las raíces después de invertir una determinada cantidad de fotosintatos en biomasa radical (Atkinson 1991). Especies con raíces más finas (en este caso, la soja y el girasol) tienen una menor inversión en biomasa por unidad de longitud radical. En los presentes experimentos, esta morfología más favorable resultó en una mayor eficiencia de adquisición de P por unidad de biomasa radical en las plantas de soja y girasol, las cuales, en última instancia, sobre compensaron su menor relación raíz-tallo. Dado que las raíces de maíz tuvieron un mayor diámetro que las de soja y girasol, el maíz podría explorar mayor cantidad de suelo por unidad de longitud radical (Tabla 2.1 y 2.2). Sin embargo, esto no resultó en una mayor capacidad de adquisición de P dado que la absorción de P por unidad de longitud radical fue similar a los valores encontrados para las otras dos especies. Las tres especies incrementaron consistentemente su LRE y ARE con la reducción del aporte de P. Esta es una clara respuesta positiva a la falta de P, la cual ya ha sido reportada en otras especies (Powell 1974), aunque no es una respuesta universal (Schroeder y Janos 2005).

De las variables analizadas que determinan la eficiencia de adquisición de P, la longitud radical y la relación raíz-tallo han sido las de menor importancia relativa. La longitud radical está fuertemente determinada por el tamaño total del sistema radical y no directamente relacionada a la eficiencia nutricional de la planta como otras características morfológicas de la raíz (por ejemplo LRE). Después de comparar varias especies Otani y Ae (1996a) concluyeron que los cultivos con sistemas radicales más largos no son necesariamente los más eficientes en términos de adquisición de P. Un sistema radical más grande está generalmente asociado a un mayor tamaño total de la planta y una mayor demanda total de P, los cuales determinarán que mecanismos adicionales, más allá de la longitud radical, son necesarios para incrementar la eficiencia de adquisición. Por lo tanto, no se incluyó a la longitud radical como un parámetro para clasificar a las especies según su eficiencia de adquisición de P. De manera similar, la relación raíz-tallo tendría, relativamente, una menor relevancia al definir la eficiencia fosfatada en comparación con las otras variables estudiadas en esta sección de la tesis. Aunque la partición preferencial de biomasa hacia las raíces es una característica deseable para adquirir nutrientes poco móviles (Anghinoni y Barber 1980), varios trabajos en la literatura demuestran que las plantas más eficientes no tienen necesariamente altas relaciones raíz-tallo. Comparando plantas de zanahoria, papa y repollo, Dechassa et al. (2003) y Dechassa y Schenk (2004) encontraron que el repollo tuvo la menor relación raíz-tallo pero también la mayor tasa de absorción de P por unidad de longitud radical. Respuestas similares fueron reportadas para colza y espinaca (Föhse et al. 1988) y maíz (Gill et al. 2005). Una relación raíz-tallo menor significa que cada porción de raíz debe proveer de recursos subterráneos a una mayor cantidad de biomasa aérea. Esta mayor “demanda del tallo” podría explicar, al menos parcialmente,

30

la mayor tasa de absorción (por unidad de biomasa radical) observada en soja y girasol (Figura 2.2b), como ha sido observado en papa (Cogliatti y Clarkson 1983) y en Paspalum dilatatum (Rubio et al. 1997). No se pudieron detectar claras diferencias en la relación raíz-tallo entre la soja y el girasol: no se observaron diferencias significativas en el experimento a campo, mientras que en el experimento en invernáculo la soja mostró una relación menor que el girasol.

El maíz (una especie C4) claramente tuvo una mayor eficiencia de utilización de P que la soja y el girasol (ambas especies C3), ya sea expresado como biomasa o como grano producido por unidad de P absorbido. Algunos estudios han demostrado que las especies C4 tienen mayor eficiencia de utilización de N que las plantas C3 (Greenwood et al. 1990; Gastal y Lemaire 2002). Esta mayor eficiencia estaría relacionada a un menor contenido de proteínas fotosintéticas en las plantas C4 (Gastal y Lemaire 2002). Las diferencias no parecen ser tan claras en el caso del P, incluso aunque este nutriente este involucrado en procesos propios del metabolismo C4 (Iglesias et al. 1993). En estudios comparativos que incluyeron varias especies C3 y C4, Halsted y Lynch (1996) y Jacob y Lawlor (1991) reportaron que ambos grupos tuvieron similar eficiencia de utilización de P. Esto sugiere que la mayor eficiencia de utilización de P encontrada en el maíz en mis experimentos no estaría necesariamente asociada al tipo de metabolismo.

La eficiencia de utilización es función de cómo el P es distribuido a los distintos sitios funcionales de la planta. La capacidad de algunas plantas para retranslocar el P desde un sitio inactivo a uno activo puede ser una estrategia para tolerar bajos niveles de este nutriente; de tal manera, se produce un ajuste fisiológico que incrementaría la cantidad de P disponible para ciertas funciones fisiológicas esenciales tales como la fotosíntesis (Ahmad et al. 2001). En distintos trabajos (Saric 1981; Clarkson y Scattergood 1982; Jeschke et al. 1996; Snapp y Lynch 1996) realizados con diferentes especies se encontró que, en los genotipos más eficientes una, relativamente, menor proporción del P total era retenida en tallos y raíces y una mayor proporción era translocada a hojas, en condiciones de déficit de P. Sin embargo, esto no es lo que se observó en el caso del maíz. Por lo tanto, el hecho de que el maíz sea más eficiente que soja y girasol en producir biomasa por unidad de P absorbido no estaría relacionado al tipo de metabolismo ni a la mayor translocación del P a hojas y si a características fisiológicas propias de las especies comparadas. Los mecanismos involucrados en la mayor eficiencia de utilización del P no son íntegramente conocidos. Una estrategia del maíz podría ser la capacidad de mantener la actividad metabólica con menores requerimientos de P a nivel celular en las especies más eficientes, utilizando vías metabólicas alternativas (Duff et al. 1989). Otra estrategia reportada en arroz está relacionada con la capacidad de mantener altas tasas fotosintéticas en condiciones de bajo P (Yong-fu et al. 2006).

A partir de estos experimentos, específicamente diseñados para comparar el desarrollo de soja, girasol y maíz bajo similares condiciones de crecimiento, se observó que, mientras el maíz tuvo mayor eficiencia de utilización de P, la soja y el girasol manifestaron mayores eficiencias de adquisición. El maíz tuvo los valores más altos de relación raíz-tallo, pero cada unidad de biomasa invertida en raíces absorbe menos P que la soja y el girasol. A su vez, cada unidad de P absorbido produce más biomasa total y en grano en maíz que en soja y girasol. Por lo tanto, las diferencias encontradas en la eficiencia de adquisición y utilización de P tienden a compensarse unas con otras. Una morfología más favorable determinó que la soja y el girasol puedan adquirir más P por unidad de carbono invertido en biomasa radical. Sin embargo, dado que las tres especies tuvieron similares valores de P absorbido por unidad de longitud radical, podría decirse que cada segmento longitudinal de raíz tiene similar capacidad de agotar las fracciones

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de P rizosférico del suelo. Esto ha sido demostrado por Faggioli (2008); en su tesis observó que ni las fracciones de P inorgánicas ni las orgánicas tuvieron diferencias en su biodisponibilidad para los cultivos de soja, girasol y maíz. Todas las fracciones de P (tanto las reconocidas como lábiles como las resistentes) fueron aprovechadas por las raíces de los tres cultivos. Si bien el girasol acidificó el ambiente rizosférico en mayor medida que la soja y el maíz, la acidez de la rizósfera no estuvo relacionada con la adquisición de fracciones de P. 2.4.2) Partición de biomasa a raíz evaluado mediante un enfoque alométrico

El modelo de partición de biomasa entre los componentes aéreo y radical se representó mediante relaciones lineares con los datos de biomasa transformados (log10). Las relaciones raíz-tallo de los tres cultivos presentaron un notable ajuste a las funciones alométricas con escala logarítmica, representado por los altos coeficientes de correlación encontrados en todas las condiciones evaluadas. Estos resultados revelan la robustez de la aproximación alométrica para predecir el modelo de partición de biomasa en estos importantes cultivos agronómicos. El nivel de P disponible afectó la tasa de crecimiento, pero no modificó la relación logarítmica entre el tamaño del sistema radical y la parte aérea. Las plantas afectadas por estrés de P tendieron a ser, como se esperaba, más pequeñas que las plantas control de su mismo estadío. Sin embargo, las relaciones alométricas entre biomasa radical y aérea fueron similares entre plantas creciendo con deficiencia de P y plantas control del mismo tamaño (i.e. plantas más jóvenes), demostrado por el hecho de que el P no ejerció ningún efecto sobre los coeficientes alométricos (Tabla 2.3). Los resultados obtenidos nos conducen a aceptar la hipótesis propuesta, dado que se demostró consistentemente que la relación raíz-tallo estuvo determinada por el tamaño total de la planta y no por la disponibilidad de P. La dominancia relativa de la raíz sobre la parte aérea disminuye a medida que la planta crece, señalando una estrecha relación entre la relación raíz-tallo con el tamaño total de la planta. Si el crecimiento de la planta es afectado por alguna condición de estrés en el ambiente radical (tal como una baja disponibilidad de P) tienden a mantener una relación raíz-tallo más alta, característico de las plantas pequeñas.

El efecto del P sobre la alometría de raíces y parte aérea podría estar afectado por la variabilidad genotípica (Nielsen et al. 2001). Sobre la base de mi conocimiento, el trabajo de Nielsen et al. es el único antecedente directo que relaciona el efecto del P sobre las relaciones alométricas de raíz-tallo. Los autores encontraron que la alometría predijo con exactitud la relación raíz-tallo en genotipos de poroto. Con respecto al P, observaron que el coeficiente alométrico no fue alterado por el nivel de P en los genotipos eficientes, pero los genotipos ineficientes tuvieron menores coeficientes en condiciones de bajo P.

Una aplicación adicional de los resultados obtenidos es el empleo de los coeficientes KRMA aquí proporcionados para estimar la cantidad de biomasa de raíces a partir de la biomasa aérea. Habida cuenta de la dificultad de extraer muestras radicales para cuantificar la biomasa subterránea, los coeficientes KRMA obtenidos podrían ser de utilidad para diferentes aspectos de la ecología agrícola, como el balance de carbono y nutrientes. 2.5) CONCLUSIONES

De acuerdo a lo planteado en el objetivo de este capítulo, se comparó la

habilidad de soja, girasol y maíz para adquirir y utilizar P del suelo y se evaluaron

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algunos de los mecanismos morfológicos que determinan la eficiencia fosfatada. Los resultados obtenidos permiten aceptar la hipótesis propuesta, ya que los cultivos de soja, girasol y maíz se ordenaron de manera diferente según el índice de eficiencia fosfatada considerado. Mientras la soja y el girasol mostraron una alta eficiencia de adquisición de P, el maíz fue más eficiente en su utilización. Una morfología radical más favorable determinó que soja y girasol pudieran adquirir más P por unidad de carbono invertido en biomasa radical. Sin embargo, las tres especies mostraron similares valores de P absorbido por unidad de longitud radical, confirmando resultados previos de que cada segmento longitudinal de raíz tiene similar capacidad de agotar las fracciones de P rizosférico del suelo.

De las variables analizadas que determinan la eficiencia de adquisición de P, la longitud radical y la relación raíz-tallo tuvieron menor importancia relativa. Las diferencias halladas en el efecto del P sobre la relación raíz-tallo medida en forma directa y mediante un enfoque alométrico se debieron al efecto del tamaño de las plantas. Se observó que la relación raíz-tallo de los tres cultivos evaluados siguió estrictas relaciones alométricas, más allá de la disponibilidad de nutrientes o de las condiciones de crecimiento (a campo o en macetas). Con los experimentos presentados en este capítulo quedó demostrado que las plantas con deficiencia fosfatada se comportaron como plantas control del mismo tamaño (i.e. plantas jóvenes, pequeñas debido a la edad y no debido a algún estrés). Los resultados obtenidos permitieron corroborar la hipótesis de que la relación raíz-tallo está principalmente regulada por el tamaño de la planta más que por la disponibilidad de P.

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CAPÍTULO 3

DISPONIBILIDAD DE FÓSFORO Y FORMACIÓN DE POROSIDAD EN RAÍCES DE SOJA, GIRASOL Y MAÍZ *

* Fernández MC, Gutiérrez Boem FH, Rubio G. Formation of aerenchyma in soybean, sunflower and maize under phosphorus stress and its effect on phosphorus acquisition efficiency. (artículo en preparación para enviar a Journal of Plant Nutrition and Soil Science)

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3.1) INTRODUCCIÓN La porosidad es una parte constitutiva del tejido vegetal que resulta de los

espacios intercelulares llenos de aire. Es evaluada por medio del volumen relativo de tejido ocupado por espacio gaseoso, y puede ser incrementada por la formación de aerénquima (tejido con gran espacio intercelular lleno de aire) (Colmer 2003). El desarrollo de aerénquima en la corteza de la raíz es una típica adaptación a hipoxia causada por situaciones de anegamiento. Su presencia facilita la oxigenación de los tejidos sumergidos (Armstrong 1979) favoreciendo su crecimiento o permitiendo su supervivencia durante el período de anaerobiosis. La formación de aerénquima en raíces puede originarse mediante dos procesos. Uno generado a partir de la muerte celular programada (lisis) que da origen al aerénquima lisígeno y el otro originado por el re-acomodamiento de las células de la corteza durante su división y expansión que forma el aerénquima esquizógeno (Jackson y Armstrong 1999). La formación y función del aerénquima han sido ampliamente estudiadas en diversas especies mono y dicotiledóneas tolerantes a situaciones de inundación (Kawase 1981; Justin y Armstrong 1987; Rubio et al. 1995; Jackson y Armstrong 1999; Seago et al. 2005).

Si bien el desarrollo del aerénquima es una típica respuesta a la anaerobiosis, se ha observado que su formación también puede ser inducida por otros factores. He et al. (1996) observaron que la presencia de impedancias mecánicas promovía la formación de aerénquima radical en maíz. En este último caso el estímulo externo que induce el aumento de porosidad sería el mismo que en condiciones de anegamiento: la baja concentración de O2 en el suelo. También se ha demostrado que el incremento de tejido poroso radical puede ser inducido por una subóptima disponibilidad de nutrientes; como N, P (Konings y Verschuren 1980; Drew et al. 1989) y S (Bouranis et al. 2003). A diferencia de la hipoxia, en la cual el aerénquima es inducido por un aumento de la biosíntesis de etileno (Jackson et al. 1985; Atwell et al. 1988), en el caso de deficiencia nutricional el aumento de porosidad está asociado a una menor producción de etileno. Drew et al. (1989) demostraron que la omisión de N y P en la solución nutritiva de plantas de maíz resultó en una depresión completa en la vía (sustratos y enzimas) de síntesis del etileno. No obstante, aumenta fuertemente la sensibilidad de las células de la corteza radical al etileno (He et al. 1992), de manera tal que aunque disminuye la concentración interna de etileno, la respuesta (es decir, la lisis celular y como consecuencia la formación de aerénquima) es incrementada. Para explicar esto los autores hipotetizaron que la deficiencia de N y P provoca un aumento en el número o la afinidad de los receptores en raíz y, por lo tanto, responden a concentraciones de etileno más bajas que las presentes en raíces no estresadas.

El estrés de P promovió la formación de aerénquima en raíces de maíz (Fan et al. 2003), poroto (Fan et al. 2003) y arroz (Kirk y Du 1997; Lu et al. 1999), En maíz se demostró que esta respuesta ya se manifiesta a los 8 días de iniciados los tratamientos de deficiencia fosfatada (Fan et al. 2007). No hemos encontrado registros del efecto del P sobre la porosidad radical en otras especies, entre ellas soja y girasol, plantas modelo de esta tesis. Se cree que la formación de aerénquima es una adaptación al estrés de P que permite reducir el costo metabólico de exploración del suelo (Lynch y Brown 1998) pues se reemplazan células corticales vivas por espacios llenos con aire. En estas condiciones se reduce la respiración radical de mantenimiento y el requerimiento de P en raíz (Fan et al. 2003). Cabe acotar que los costos metabólicos de exploración del suelo por el sistema radical pueden ser importantes, especialmente bajo condiciones de deficiencia de P. ‘Costo’ denota inversión metabólica y se suele medir en unidades de carbono (C). Dependiendo de la especie y de las condiciones de crecimiento, el C

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consumido por respiración radical puede ser de hasta un 50% de la fotosíntesis diaria (Lambers et al. 1996), una porción importante del cual es utilizado para la respiración de mantenimiento (Lambers et al. 1983; Nielsen et al. 2001). La reducida respiración de mantenimiento en el tejido radical es una adaptación importante en condiciones de baja disponibilidad de P, ya que una planta que es capaz de adquirir recursos limitantes del suelo con reducido costo metabólico tendrá más C disponible para defensas, crecimiento y productividad (Lynch y Brown 2008).

La eficiencia de adquisición de P refleja la capacidad de la planta para extraer P del suelo. Como ya se ha definido anteriormente en esta tesis, representa la cantidad de P absorbido por unidad de longitud o biomasa radical, y por lo tanto, implica el costo metabólico de adquisición de P. Uniendo esto con lo dicho en el párrafo anterior, se podría deducir que la generación de espacio poroso en raíz favorece la eficiencia de adquisición de P porque las raíces pueden recorrer más metros con menor inversión de C. Al respecto no hay trabajos que demuestren que las especies con mayor porosidad radical tengan mayor eficiencia de adquisición de P. La longitud radical específica (LRE; longitud por unidad de biomasa radical) involucra dos componentes: el diámetro y la densidad radical (Ryser 2006). El desarrollo de espacio poroso en raíz afectaría a la densidad radical modificando, como consecuencia, la LRE. Esto es importante en relación a la habilidad competitiva de los cultivos, dado que plantas con mayor LRE tendrían ventajas, ya que tienen un menor costo de C para producir una unidad de longitud radical (Eissenstat 1992). En el capítulo anterior se concluyó que la soja y el girasol, en comparación con el maíz, eran capaces de absorber más P por unidad de C invertido en biomasa radical (esto es mayor eficiencia de adquisición de P). También se observó que esta mayor eficiencia estuvo relacionada con una morfología y arquitectura radical más favorable (mayor proporción de raíces superficiales y mayor LRE) en soja y girasol.

El objetivo específico de este capítulo es evaluar la formación de porosidad y su efecto sobre la eficiencia de adquisición de P en soja, girasol y maíz. Para ello se diseñó un experimento bajo condiciones controladas y se pusieron a prueba las siguientes hipótesis: i) la deficiencia fosfatada estimula la formación de espacios porosos en soja, maíz y girasol, y ii) la soja y el girasol presentan una mayor porosidad en raíz que el maíz, lo cual contribuye a una mayor adquisición de P por unidad de raíz en los primeros.

3.2) MATERIALES Y MÉTODOS 3.2.1) Material vegetal y diseño experimental

Se llevó a cabo un experimento bajo condiciones controladas en hidroponia. Para realizar el experimento se utilizaron semillas de soja (Glycine max L., Don Mario 4800 RR), girasol (Helianthus annuus L., Paraíso 20) y maíz (Zea mays L., DK628 RR).

Semillas de las tres especies fueron esterilizadas agitándolas durante 10 minutos en una solución 10 % (v/v) de NaOCl comercial (hipoclorito de sodio). Posteriormente se enjuagaron otros 10 minutos con agua destilada y se colocaron en un papel absorbente humedecido con Cl2Ca 0,5 mM que se enrolló cuidadosamente y se puso en posición vertical dentro de un frasco conteniendo la misma solución de Cl2Ca. Las plántulas se dejaron crecer de esta forma durante 7 días a 25ºC. Luego de este período se seleccionaron plántulas de tamaño similar para asignarles los tratamientos.

36

Los tratamientos se ordenaron en un diseño en bloques completamente aleatorizado con 2 factores y 3 repeticiones. Los factores fueron especie (soja, maíz y girasol) y nivel de P (bajo P y alto P). Para cultivar las plantas se utilizaron contenedores plásticos opacos de 25 L de capacidad (22 x 25 x 45 cm). En la tapa de cada uno de ellos se realizaron 4 orificios equidistantes donde se colocaron 4 plántulas de la misma especie sostenidas por un listón de guata envuelto en su tallo. La composición de la solución nutritiva donde crecieron las plantas fue la siguiente: NH4NO3 (3,5 mM), K2SO4 (2,5 mM), CaSO4 (1,2 mM), MgSO4 7H2O (0,5 mM), Cl2Mg 6H2O (0,025 mM), Fe-EDTA (5 µM), H3BO3 (7,5 µM), MnSO4 H2O (1,5 µM), ZnSO4 7H2O (1,5 µM), CuSO4 5H2O (0,5 µM), MoO3 (0,1 µM) y CoSO4 7H2O (0,1 µM). Para los tratamientos bajo P y alto P se agregaron KH2PO4 0,001 mM y 0,07 mM, respectivamente. Para compensar la diferencia en K añadido como KH2PO4 entre tratamientos, se agregó KOH (0,069 mM) a los tratamientos de bajo P. Para preparar las soluciones nutritivas se utilizó agua desionizada. El medio de crecimiento fue renovado cada 7 días. El pH inicial de todos los tratamientos se ajustó a 6,5 con NaOH 0,1 M y se reguló cada 2 días. Cada contenedor contó con un sistema de aireación permanente de la solución nutritiva para mantenerlas bien aireadas y asegurarnos que la formación de aerénquima no sea debido a la falta de oxígeno. El experimento se desarrolló durante el mes de noviembre de 2008 en un invernáculo ubicado en la Facultad de Agronomía de la Universidad de Buenos Aires. Allí las plantas crecieron bajo luz natural con un rango de temperaturas entre 25 y 30ºC. Se realizaron 4 cosechas sucesivas cada 7 días. El experimento finalizó a los 28 días desde la asignación de los tratamientos. 3.2.2) Mediciones

En cada una de las cosechas se tomó una planta de cada unidad experimental. La parte aérea se separó de la radical y se colocó en estufa a 60ºC durante 3 días para determinar el peso seco. La reducción relativa de biomasa aérea se calculó como la diferencia porcentual de biomasa producida entre los tratamientos con alto y bajo P. Las raíces se enjuagaron con agua des-ionizada y se tomaron simultáneamente diferentes muestras del sistema radical de cada planta con el fin de medir porosidad total, longitud radical, concentración de P y aerénquima.

Para medir porosidad radical total se tomó una muestra fresca representativa del sistema radical, compuesta por una raíz basal (en soja y girasol) o una raíz seminal (en maíz) con todas sus raíces laterales. La porosidad se midió usando la técnica picnométrica de Jensen et al. (1969), la cual se basa en el aumento de peso que se produce cuando el aire en la raíz es reemplazado por agua luego del macerado de la muestra. Se utilizó un picnómetro de 50 ml con agua desgasificada y pesada a temperatura ambiente. La porosidad total (%) de las raíces se calculó con la siguiente fórmula:

PT (%) = 100 (Wh – Wr+w) / (Ww + Wr – Wr+w) donde Wh es el peso del picnómetro lleno con agua más la muestra radical macerada, Wr+w es el peso del picnómetro lleno con agua más la muestra radical entera, Ww es el peso del picnómetro lleno con agua solamente y Wr es el peso fresco de la muestra radical. La determinación de aerénquima en cortes transversales de la raíz se realizó a los 21 días desde iniciados los tratamientos con P. Se tomaron segmentos radicales de 1 cm de largo de raíces seminales (en maíz) o laterales de primer orden (en soja y girasol), de la región basal (a 2 cm desde la base de la raíz) y de la región apical (a 2 cm desde el ápice) de la misma raíz. Las muestras de raíces fueron inmediatamente fijadas en FAA

37

(10% formol, 50% de alcohol etílico, 5% de ácido acético glacial, y 35% de agua destilada). Secciones transversales de aproximadamente 2 mm de largo se deshidrataron gradualmente en una serie de alcohol etílico (70º, 80º, 90º y 100º) y se embebieron en parafina. Posteriormente se cortaron secciones de 12 µm de espesor con un micrótomo rotativo tipo Minot. Los cortes se colorearon con safranina y fast green. Los cortes radicales se analizaron tomando imágenes con un microscopio (Nikon Eclipse 50i) conectado a una cámara digital color (Nikon Coolpix S10). Finalmente, la medición del área ocupada por aerénquima y del área completa del corte de la raíz fueron realizados utilizando el software de dominio público ImageJ 1.4 (National Institute of Health, Bethesda, Maryland, USA), que se encuentra disponible en: http://rsb.info.nih.gov/ij/ La longitud radical total, el diámetro y el volumen radical fueron cuantificados escaneando las raíces con software de análisis de imágenes (WinRhizo Pro, Régent Instruments, Québec, Canadá). Posteriormente, las raíces fueron colocadas en estufa para determinar el peso seco. Con estos parámetros se calculó la LRE y la densidad radical. El porcentaje de longitud radical en las diferentes clases de diámetro de raíces se determinó sobre el total de la muestra de longitud analizada. Para determinar la concentración de P en cada órgano vegetal (hojas, tallos y raíces), submuestras de material vegetal molido (70 mg) se calcinaron a 550º C durante 24 h. Las cenizas obtenidas se disolvieron en 8 ml de HCl 0,1 M y se determinó P colorimétricamente (Murphy y Riley 1962). Todas las determinaciones se realizaron por duplicado. La eficiencia de adquisición de P se calculó como la cantidad de P absorbido por unidad de longitud y por unidad de biomasa radical. 3.2.3) Análisis estadístico Los datos recolectados se analizaron estadísticamente mediante análisis de varianza (ANOVA) y las medias se compararon con el test LSD Fisher (P<0,05). Para analizar los datos de aerénquima se calculó la raíz cuadrada del arcoseno de los valores porcentuales antes del ANOVA, para alcanzar la homogeneidad de varianzas de las medias. De manera similar, los datos de longitud radical fueron transformados por la raíz cuadrada y los de eficiencia mediante una función logarítmica. 3.3) RESULTADOS 3.3.1) Porosidad radical total y aerénquima

La porosidad radical total fue mayor en plantas deficientes en P con respecto a los controles bien nutridos, manifestándose a partir de los 7 días de iniciados los tratamientos con P (P<0,05) (Tabla 3.1 y Figura 3.1). Estas diferencias se incrementaron con el transcurso de la deficiencia nutritiva. Las tres especies presentaron porosidad constitutiva en sus sistemas radicales (porosidad en el tratamiento con alta disponibilidad de P). El promedio para todo el experimento fue de 5,77%, 3,29% y 3,87%, para soja, girasol y maíz, respectivamente. A partir de los 14 días de estrés con P se comenzaron a observar las diferencias entre especies: la soja fue la que mostró mayor desarrollo de porosidad, seguida por el maíz. El girasol tuvo los valores menores de porosidad total (Figura 3.1).

38

Tabla 3.6. Resultados del ANOVA para las variables porosidad y eficiencia de adquisición de P a los 7, 14, 21 y 28 días de crecimiento con tratamiento de bajo y alto P.

Días de tratamiento ANOVA (valores de F) g.l. 7 14 21 28 Porosidad radical total Especie 2 3,33 n.s. 4,04* 16,49*** 14,08** P 1 6,49* 5,45* 31,65*** 66,96*** Especie x P 2 1,62 n.s. 0,85 n.s. 4,13 n.s. 3,43 n.s. Eficiencia de adquisición de P por biomasa radical

Especie 2 19,35*** 7,93** 13,71** 9,49** P 1 95,22*** 134,34*** 500,13*** 131,45*** Especie x P 2 6,88* 1,35 n.s. 4,24 n.s. 3,76 n.s. Eficiencia de adquisición de P por longitud radical

Especie 2 55,75*** 9,75** 9,90** 7,35* P 1 89,28*** 136,87*** 276,72*** 158,61*** Especie x P 2 6,62* 1,30 n.s. 1,97 n.s. 2,20 n.s. Se muestran los valores de las pruebas F. g.l.: grados de libertad. Diferencias significativas: * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05)

0

5

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soja girasol maiz soja girasol maiz

Por

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adic

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%)

7 días 14 días

21 días 28 días

bajo Palto P

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0

5

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15

20

soja girasol maiz soja girasol maiz

Por

osid

ad r

adic

al to

tal (

%)

7 días 14 días

21 días 28 días

bajo Palto Pbajo Palto P

Figura 3.1. Porosidad radical total para soja, girasol y maíz con alto y bajo P para los 7, 14, 21 y 28 días de tratamiento. Las barras representan el error estándar de las medias.

39

A diferencia de la porosidad total, las mediciones de aerénquima permitieron analizar la distribución del espacio poroso en zonas puntuales del sistema radical. El desarrollo de aerénquima se midió a los 21 días de crecimiento en soluciones con alto y bajo P en dos regiones (basal y apical) de las raíces seminales (en maíz) o laterales de primer orden (en soja y girasol) (Tabla 3.2). En la región apical no se observaron diferencias significativas en el desarrollo de áreas con aerénquima, ni entre especies ni entre niveles de P. Mientras que sí se observó una interacción significativa especie x nivel de P (P<0,05) en la corteza de los tejidos más viejos (región basal) de las mismas raíces. Los mayores porcentajes de aerénquima en la región basal de las raíces resultaron de la presencia de mayor número de cavidades y de mayor tamaño en dicha región (Figura 3.2). En este caso, la formación de aerénquima en respuesta a la deficiencia fosfatada fue mayor en soja (11,7 veces más que su control sin deficiencia) (Tabla 3.2). Las raíces seminales de maíz bajo estrés de P produjeron 15,2 veces más aerénquima que las bien nutridas. Mientras que en girasol no hubieron diferencias significativas en el desarrollo de aerénquima en respuesta al déficit de P. Tabla 3.2. Porcentaje de área con aerénquima en cortes transversales en la región apical y basal de raíces laterales de soja y girasol y seminales de maíz de plantas creciendo durante 21 días con bajo y alto P.

Área de aerénquima (%) Especie

Nivel de P Región apical Región basal

Bajo P 4,63 16,62 a Soja Alto P 1,77 1,42 bc Bajo P 3,88 4,91 bc

Girasol Alto P 1,95 0,65 bc Bajo P 1,52 5,79 b

Maíz Alto P 0,76 0,38 c

ANOVA (valores de F) g.l. Especie 2 1,18 n.s. 9,20** Nivel de P 1 2,43 n.s. 37,20*** Especie x P 2 0,26 n.s. 6,79*

g.l.: grados de libertad. Diferencias significativas: * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05)

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Figura 3.2. Cortes transversales en la región apical y basal de raíces laterales de soja (a) y girasol (b) y seminales de maíz (c) de plantas creciendo durante 21 días con bajo P (figuras de la derecha) y alto P (figuras de la izquierda).

41

3.3.2) Biomasa, longitud radical y concentración de P A los 7 días de iniciados los tratamientos no se observaron diferencias significativas en la producción de biomasa (Tabla 3.3). Después de los 14 días de tratamiento, la deficiencia de P provocó una disminución significativa en la producción de biomasa aérea y radical en los cultivos de girasol y maíz, no así en el cultivo de soja. Estas diferencias se vieron reflejadas en la disminución relativa de biomasa aérea. Las plantas de soja con bajo P tuvieron una reducción de biomasa aérea de aproximadamente un 50% con respecto a las plantas bien nutridas, mientras que en girasol y maíz estas diferencias fueron mucho mayores (Tabla 3.3). A partir de los 21 días el estrés de P afectó la producción de biomasa aérea y radical en las tres especies, aunque la soja siguió manteniendo menores diferencias relativas en biomasa aérea.

42

Tabla 3.3. Biomasa aérea, radical, reducción relativa de biomasa aérea y longitud radical total de soja, girasol y maíz, a los 7, 14, 21 y 28 días creciendo con alto y bajo P.

Biomasa

aérea Biomasa radical

Reducción relativa de

biomasa aérea

Longitud radical total

(g) (g) (%) (m) 7 días

Bajo P 0,20 0,12 9,95 Soja

Alto P 0,22 0,11 9,74

11,11 Bajo P 0,15 0,20 21,54

Girasol Alto P 0,22 0,23

31,01 27,96

Bajo P 0,19 0,21 32,62 Maíz

Alto P 0,28 0,18 31,79

37,88 ANOVA valores de F Especie 0,58 n.s. 1,34 n.s. 3,30 n.s. 10,40** Nivel de P 2,13 n.s. 0,05 n.s. 0,75 n.s. Especie x P 0,24 n.s. 0,21 n.s. 0,01 n.s. 14 días

Bajo P 0,41 c 0,27 b 29,84 b Soja

Alto P 0,81 c 0,32 b 49,59 b

32,24 b Bajo P 0,28 c 0,47 b 56,85 b

Girasol Alto P 2,05 b 1,19 a

86,41 a 155,89 a

Bajo P 0,39 c 0,46 b 57,48 b Maíz

Alto P 2,83 a 1,15 a 86,34 a

120,13 a ANOVA valores de F Especie 13,12** 11,27** 46,38** 13,36** Nivel de P 92,86*** 21,76*** 19,31** Especie x P 14,16** 4,43* 5,12* 21 días

Bajo P 0,55 d 0,35 d 33,32 d Soja

Alto P 2,76 c 0,93 c 80,22 b

104,42 c Bajo P 0,44 d 0,57 cd 73,83 c

Girasol Alto P 8,79 a 3,78 a

95,03 a 333,64 a

Bajo P 0,45 d 0,53 cd 86,61 c Maíz

Alto P 7,33 b 2,49 b 93,81 a

259,63 b ANOVA valores de F Especie 26,14*** 57,67*** 6,39* 41,36*** Nivel de P 278,71*** 267,94*** 184,25*** Especie x P 28,18*** 42,15*** 9,30** 28 días

Bajo P 0,48 c 0,34 35,86 c Soja

Alto P 9,06 b 2,42 94,67 c

172,77 b Bajo P 0,41 c 0,55 66,78 bc

Girasol Alto P 27,79 a 10,72

98,53 a 649,52 a

Bajo P 0,64 c 0,52 69,69 bc Maíz

Alto P 20,95 a 6,75 96,94 b

490,94 a ANOVA valores de F Especie 8,39** 6,05* 46,83** 8,40** Nivel de P 99,03*** 115,48*** 70,49*** Especie x P 8,46** 3,09 n.s. 4,70*

43

Dentro de cada columna, letras iguales indican que no hay diferencias significativas entre los tratamientos (P<0,05). * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05)

Las diferencias halladas en longitud radical total siguieron el mismo patrón que

en biomasa. El cultivo de soja no mostró diferencias significativas en la longitud radical de plantas creciendo con alto y bajo P en las dos primeras cosechas, mientras que a partir de los 21 días el estrés de P redujo significativamente la longitud radical en las tres especies (Tabla 3.3). Inicialmente la concentración de P en raíces de plantas creciendo con bajo P fue mayor en soja y girasol que en maíz (P<0,05) (Figura 3.3). Con el transcurso de la deficiencia fosfatada se redujo la concentración de P en raíces de soja (de 1,01 a 0,48 mg P g raíz-1), mientras que el girasol mantuvo alta su concentración de P a lo largo de todo el experimento.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 7 14 21 28 35Días de tratamiento

Con

cent

raci

on d

e P

en

raíz

(mg

P g

-1)

sojagirasolmaíz

Figura 3.3. Concentración de P en tejido radical en plantas de soja, girasol y maíz con bajo P en función del tiempo de tratamiento. Cada punto es la media de tres mediciones ± el error estándar. El ANOVA indicó diferencias significativas para el factor especie en los cuatro momentos de mediciones. 3.3.3) Parámetros relacionados con la eficiencia de adquisición de P

Ambas determinaciones de eficiencia de adquisición de P (P absorbido por unidad de biomasa y de longitud radical) mostraron una respuesta similar a lo largo de todo el experimento (Figura 3.4). La eficiencia de adquisición se redujo como consecuencia del estrés de P (Tabla 3.1). La soja fue la especie más eficiente en absorber P por unidad de biomasa y de longitud radical, mientras que no se observaron diferencias entre el girasol y el maíz.

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ón d

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(mg

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-1ra

íz)

(mg

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-1ra

íz)

7 días 14 días 21 días 28 días

bajo Palto P

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c

a

ab a

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soja girasol maíz soja girasol maíz soja girasol maíz soja girasol maíz

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20

30

40

50

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Efic

ienc

ia a

dqui

sici

ón d

e P

(mg

P g

-1ra

íz)

(mg

P m

-1ra

íz)

7 días 14 días 21 días 28 días

bajo Palto Pbajo Palto P

a

c

abbb

c

a

ab a

d

bc

dc

soja girasol maíz soja girasol maíz soja girasol maíz soja girasol maíz

b

Figura 3.4. Eficiencia de adquisición de P expresada como (a) P absorbido por unidad de biomasa radical y (b) P absorbido por unidad de longitud radical para soja, girasol y maíz a los 7, 14, 21 y 28 días de tratamiento con bajo y alto P. Las barras representan el error estándar de las medias. Los tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes (P<0,05) para la interacción especie x nivel de P.

45

La deficiencia de P provocó un aumento de la LRE (P<0,001) (Tabla 3.4 y Figura 3.5a). También se observó un efecto significativo de especie (P<0,05). La soja tuvo mayor LRE que el girasol, mientras que el maíz mostró valores intermedios para esta variable. Tabla 3.4. Resultados del ANOVA para las variables longitud radical específica (LRE), diámetro medio y densidad radical a los 28 días de crecimiento.

LRE Diámetro

medio Densidad radical

ANOVA (valores de F) Especie 4,97* 27,50*** 10,34** Nivel de P 49,02*** 5,74* 18,20** Especie x P 0,57 n.s. 7,04* 1,56 n.s.

Comparación de medias

Soja A b Girasol B a Especie Maíz Ab b Bajo A B Nivel de P Alto B A

Se muestran los valores de las pruebas F. Diferencias significativas: * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05). En el test de comparación de medias a > b. Letras iguales en minúscula indican que no hay diferencias significativas entre especies (P>0,05) y letras en mayúscula entre niveles de P mediante el test LSD de Fisher.

Se observó una interacción significativa especie x nivel de P (P<0,05) para la variable diámetro medio radical (Tabla 3.4). El maíz mostró una reducción del 19% en el diámetro medio de sus raíces en respuesta al estrés de P (Figura 3.5b). Mientras que la soja y el girasol no variaron de manera significativa sus diámetros radicales por efecto del P. Aunque soja fue la especie que tuvo raíces más finas.

La variable densidad radical (g cm-3) también fue afectada por el nivel de P (P<0,01) y por la especie (P<0,01) (Tabla 3.4 y Figura 3.5c). Las plantas creciendo con deficiencia de P fueron menos densas que los controles bien nutridos. El girasol tuvo raíces más densas que la soja y el maíz.

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soja girasol maiz

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(m

g-1

)D

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mm

)D

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g cm

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bajo Palto P

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0,5

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50

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150

200

250

300

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0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

soja girasol maiz

LRE

(m

g-1

)D

iám

etro

med

io (

mm

)D

ensi

dad

radi

cal (

g cm

-3)

a

b

c

c c

ab

b b

bajo Palto Pbajo Palto P

Figura 3.5. Longitud radical específica (LRE) (a), diámetro medio radical (b) y densidad radical (c) para plantas de soja, girasol y maíz a los 28 días de crecimiento con tratamiento de alto y bajo P. Las barras representan el error estándar de las medias. La interacción especie x nivel de P fue significativa (P<0,05) para la variable diámetro medio. Tratamientos con las mismas letras no son significativamente diferentes.

Con respecto a la distribución de la longitud radical por clases de diámetro

(Figura 3.6), la soja con bajo P tuvo significativamente un mayor porcentaje de longitud radical en la clase más fina de diámetro (0 – 0,25mm) (70%) que el girasol y el maíz (55% y 67%, respectivamente). Lo contrario sucedió con las raíces más gruesas (> 1mm). En esta clase, la soja acumuló una menor proporción de longitud radical que el maíz. Mientras que en raíces de 0,25 – 0,50mm, el girasol tuvo mayor longitud radical que las otras dos especies.

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soja girasol maiz

bajo Palto P

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ión

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d ra

dica

l por

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(%

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< 0,25 mm

0,25 – 0,50 mm

0,50 - 1 mm

> 1 mm

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30

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soja girasol maiz

bajo Palto Pbajo Palto P

Pro

porc

ión

de lo

ngitu

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dica

l por

cla

ses

de d

iám

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(%

)

< 0,25 mm

0,25 – 0,50 mm

0,50 - 1 mm

> 1 mm

ab ab

cb

c

ab

c

abbcbc

a

Figura 3.6. Porcentaje de longitud radical por clases de diámetro para soja, girasol y maíz a los 28 días de crecimiento con tratamiento de alto y bajo P. Las barras representan el error estándar de las medias. La interacción especie x nivel de P fue significativa (P<0,05) en las clases de raíces menor a 0,25 mm y de 0,50 - 1 mm de diámetro. El ANOVA en la clase de 0,25 – 0,50 mm dio un efecto significativo de especie (girasol > soja y maíz) y de nivel de P. El ANOVA en la clase > 1 mm dio un efecto significativo de especie (maíz > soja) y un efecto de nivel de P.

48

3.4) DISCUSIÓN Los resultados observados son consistentes con la primera hipótesis planteada,

ya que se demostró que la deficiencia de P indujo la generación de porosidad radical en las tres especies estudiadas. Este fenómeno no había sido demostrado con anterioridad en los cultivos de soja y girasol. En el caso del maíz, nuestros resultados coinciden con lo observado por Fan et al. (2003). En el presente experimento la solución nutritiva estuvo bien aireada y las tres especies mostraron la presencia de porosidad constitutiva en sus raíces (porosidad observada en el tratamiento con alta disponibilidad de P), de alrededor de 4,3%, en promedio para la soja, el girasol y el maíz. La medición de porosidad que cuantifica el volumen gaseoso en la raíz, se correspondió con las mediciones anatómicas de lagunas de aerénquima en la corteza radical (Figura 3.2), indicando que estos espacios intercelulares observados en las raíces estuvieron efectivamente llenos de aire, al igual que ocurre en el caso de las raíces anegadas. Por lo tanto la medida de porosidad se utilizó para cuantificar el volumen total de aerénquima en los sistemas radicales de las tres especies. La formación de aerénquima en respuesta al stress de P fue rápida: ya a partir de los 7 días de iniciado el tratamiento con estrés de P se observó un incremento de la porosidad en las tres especies. Esto concuerda con trabajos anteriores realizados en maíz (Drew et al. 1989; Fan et al. 2003; Fan et al. 2007) donde se reportan efectos a partir de los 4 a 12 días desde el comienzo de los tratamientos, indicando que se trata de una rápida respuesta anatómica frente al estrés de P. Al igual que los resultados reportados por Fan et al (2003) y Konings y Verschuren (1980) en maíz, la generación de espacio poroso se desarrolló, principalmente, en el tejido más viejo (sección basal de las raíces) (Tabla 3.1) y se intensificó en la medida en que continuó el estrés de P (Figura 3.1). La capacidad para formar dicha porosidad en respuesta al déficit de P difirió según las especies, siendo la soja la que mostró mayor desarrollo de porosidad. Si bien no hay antecedentes de soja en la literatura, Fan et al (2003) encontraron en poroto (otra leguminosa) valores de porosidad entre 4-5%, mientras que para maíz los mismos variaron entre 10-16% dependiendo, en ambos casos, del genotipo. En este experimento la soja y el maíz tuvieron 15,5% y 10,7% de porosidad total, respectivamente, a los 28 días de iniciados los tratamientos, mientras que el girasol mostró valores de 7,8%. En arroz (una especie adaptada a crecer en condiciones de anegamiento), Lu et al. (1999) reportaron valores más altos de porosidad en respuesta al estrés de P: entre 11-69%, dependiendo del genotipo y la edad de la planta.

En la segunda hipótesis se planteó que una mayor porosidad en soja y girasol contribuye a que sean más eficientes en adquirir P. Esto fue válido para la soja pero no para el girasol. La soja demostró ser capaz de absorber más P por unidad de biomasa y de longitud radical que el maíz y el girasol, probablemente asociado a las diferencias en LRE. A partir de los 21 días de iniciados los tratamientos con P, la soja tuvo una LRE mayor que el girasol y el maíz, en el tratamiento con bajo P. Los altos valores de LRE pueden ser explicados por un diámetro menor y/o una densidad radical menor. La soja, efectivamente, presentó raíces más finas que el girasol y el maíz, tanto en cuanto al diámetro radical medio como en su distribución de longitud radical por clases de diámetro (mayor proporción de longitud radical en raíces menores a 0,25 mm) (Figura 3.6). Pero también es lógico pensar que la presencia de mayor espacio aéreo en la raíz genere una reducción en la densidad del tejido radical, ocasionando como consecuencia un aumento en la LRE. Hill et al. (2006) encontraron que algunas especies de pastura disminuyeron la densidad radical en respuesta a la deficiencia fosfatada. Bajo condiciones de anegamiento Mendoza et al. (2005) reportaron una disminución en la

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LRE de raíces aerenquimáticas de Lotus glaber, lo cual podría estar asociado a la presencia de paredes celulares más gruesas o una mayor proporción de esclerénquima (Ryser 2006). En este experimento la densidad radical de la soja y el maíz (especies con mayor porosidad) fue menor que en el girasol. En el Capítulo 2, se concluyó que la soja y el girasol, en comparación con el maíz, son capaces de absorber más P por unidad de carbono invertido en biomasa radical. Esta mayor eficiencia de adquisición de P estuvo relacionada a una morfología radical más favorable (mayor LRE) en soja y girasol. Los resultados del presente capítulo son similares para la soja, no así para el girasol. Esto podría ser consecuencia de las condiciones experimentales. Los estudios de morfología radical realizados bajo distintos medios de crecimiento permiten generalizar los resultados hallados, pero también presentan algunas limitaciones. Los experimentos realizados en plantas creciendo en hidroponia permiten el fácil acceso a todo el sistema radical a diferencia de aquellos realizados en suelo (como son los del Capítulo 2). Sin embargo, el P en solución nutritiva puede ser absorbido más rápida y fácilmente por flujo masal, incluso a bajas concentraciones. Por lo tanto otros mecanismos fisiológicos pueden estar actuando en girasol en detrimento de la morfología radical.

En términos de habilidad competitiva, especialmente en ambientes de baja fertilidad, es muy ventajosa la exploración del suelo con reducidos costos metabólicos (Lynch y Ho 2005). En la medida que el sistema radical madura, se incrementa la proporción de tejido radical que no está en crecimiento, por lo tanto la respiración de mantenimiento se vuelve una fracción importante (hasta un 90%) de la respiración total (Lynch y Brown 2008). Fan et al. (2003) demostraron que la formación de aerénquima, al reemplazar células vivas por espacio aéreo, redujo la respiración radical de construcción y mantenimiento en raíces de poroto y maíz: raíces con 20% de área con aerénquima tuvieron la mitad de respiración con respecto a raíces sin tejido poroso. Otra ventaja de la formación de porosidad reportada por los mismos autores es el reducido requerimiento de P en raíz. Los resultados de este trabajo están en línea con lo antedicho, ya que la soja y el maíz, las dos especies con mayor generación de porosidad radical, tuvieron menor concentración de P en raíces que el girasol, y las diferencias entre ellas se incrementaron en la medida en que aumentaba la porosidad con el transcurso del tiempo con estrés de P (Figura 3.3). El P liberado por la lisis de las células corticales podría ser usado para generar nuevo tejido radical para explorar más suelo (Eshel et al. 1995 en Lynch y Brown 2008). El P absorbido en condiciones de bajo P es retenido en las raíces casi en su totalidad (Snapp y Lynch 1996). La soja con bajo P mostró menores caídas en biomasa aérea relativa en comparación con el girasol y el maíz. Posiblemente, al tener menor requerimiento de C en raíz (por la presencia de mayor espacio poroso) la soja utiliza los carbohidratos disponibles para sostener la producción de biomasa aérea y seguir explorando el suelo con un menor gasto metabólico.

Como se dijo anteriormente, la formación de aerénquima sería una respuesta localizada de adaptación a condiciones de baja fertilidad mediada por el etileno (Lynch y Brown 1997). Por lo tanto, uno podría suponer que esta respuesta se revierta si la oferta de P pasa de baja a alta. Sin embargo, eso no seria importante para el caso de los cultivos agrícolas anuales, ya que difícilmente cambien las condiciones de oferta del P durante el ciclo del cultivo. Esto se debe, por un lado, a que el aporte por mineralización no seria tan relevante como en el caso del N (García et al. 2006). Por otro lado, la fertilización fosfatada se realiza a la siembra, a diferencia del N que se puede fertilizar durante el desarrollo del cultivo (Bray 1954). Es decir, que si el cultivo empezó con deficiencia de P es probable que continúe bajo esa condición durante todo el ciclo. Por lo tanto, la generación de espacio poroso sería una adaptación que le serviría hasta el

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final del ciclo, especialmente ante deficiencias moderadas de P donde los rendimientos no se resienten demasiado.

La formación de aerénquima en la corteza radical de plantas creciendo bajo deficiencia de P tendría una función totalmente diferente al aerénquima generado en plantas creciendo bajo condiciones de anegamiento. En el primer caso, se trataría de una estrategia evolutiva que le permite a la planta sostener el crecimiento en tales ambientes, mediante la adquisición de P con reducidos gastos de exploración del suelo. Sin embargo, la pérdida de tejido cortical presenta ciertos ‘costos’ que deberían ser considerados. Entre estos ‘costos’ se encuentran: una menor resistencia física al aplastamiento (Striker et al. 2007), un hábitat menos favorable para la formación de hongos micorrícicos, una reducida capacidad de almacenamiento en vacuolas, una menor capacidad para penetrar suelos duros y mayor susceptibilidad a insectos herbívoros y patógenos (Lynch 2007). Además, en un estudio realizado por Fan et al. (2007), los autores encontraron que la formación de aerénquima redujo la conductividad hidráulica de raíces de maíz, esto limitaría el transporte radial de agua y nutrientes en el cilindro radical, constituyendo una resistencia extra para las plantas estresadas. Por otra parte, los mecanismos de cómo las células corticales comienzan la lisis y forman aerénquima bajo estrés de P permanecen desconocidas al presente, probablemente la menor concentración de P total en raíces sea el disparador de los procesos que llevan a la lisis celular. La investigación en este sentido puede proveer información del significado fisiológico del tejido poroso en raíces de plantas estresadas con P.

3.5) CONCLUSIONES

Los resultados de este capítulo permitieron demostrar que la deficiencia de P indujo la formación de porosidad radical en soja, girasol y maíz. La soja fue la especie que mostró mayor desarrollo de espacio poroso en respuesta a dicho estrés. También se observó que la presencia de esta mayor porosidad en soja contribuyó a que sea más eficiente que el girasol y el maíz en absorber P, asociado a la presencia de raíces más finas y a una menor densidad radical. Este trabajo reafirma los resultados del capítulo anterior hallados para la soja, remarcando la importancia de la morfología radical en la eficiencia de adquisición de P. El desarrollo de tejido poroso en la corteza radical sería una estrategia de adaptación a condiciones de baja fertilidad fosfatada que le permitiría a la planta sostener su crecimiento, mediante la adquisición de P con reducidos gastos de exploración del suelo.

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CAPÍTULO 4

COLONIZACIÓN POR MICORRIZAS ARBUSCULARES NATIVAS Y EFICIENCIA DE ADQUISICIÓN DE FÓSFORO *

* Fernández MC, Gutiérrez Boem FH, Rubio G. Effect of indigenous mycorrhizal colonization on phosphorus acquisition efficiency in soybean and sunflower. Enviado a Journal of Plant Nutrition and Soil Science (en revision)

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4.1) INTRODUCCIÓN La adaptación más común que poseen las plantas para incrementar la adquisición

de P es la asociación simbiótica entre las raíces y los hongos micorrícicos del suelo (Brundrett 2002). En los suelos agrícolas los hongos micorrícicos arbusculares (HMA) pertenecientes al Orden Glomerales (Schüssler et al. 2001) son los más importantes (Gosling et al. 2006). La gran mayoría (80%) de las plantas superiores tienen la capacidad de establecer relaciones simbióticas con micorrizas, especialmente con los HMA (Brundrett 2002). Los HMA tienen el potencial de incrementar la absorción de nutrientes relativamente inmóviles, en particular P y zinc (Bolan 1991; Cavagnaro 2008). Las micorrizas desarrollan una red de hifas extra-radicales que permite incrementar el volumen de suelo explorado por las raíces de las plantas (Kothari et al. 1991; George et al. 1995; Miller et al. 1995). Dentro de las raíces del huésped, los HMA forman estructuras ramificadas (arbúsculos) donde el P y otros componentes son intercambiados entre el hongo y el huésped. Un mayor movimiento del P hacia las hifas micorrícicas es producido por un aumento en la afinidad por los iones fosfato y por una menor concentración mínima requerida para absorber P (Shenoy y Kalagudi 2005). La tasa de absorción de P en raíces micorrizadas puede ser de 3 a 5 veces mayor que en raíces no colonizadas (Schachtman et al. 1998). También se ha indicado que los HMA pueden solubilizar fuentes de P no disponibles directamente para las plantas, mediante la liberación de ácidos orgánicos, enzimas fosfatasas y metabolitos especializados (Shenoy y Kalagudi 2005).

La colonización micorrícica está fuertemente influenciada por la disponibilidad de P en el suelo (Miranda y Harris 1994; Smith y Read 1997; Covacevich et al. 2007). La colonización por HMA en soja creciendo en condiciones de baja y alta disponibilidad de P se redujo entre 12 a 71% en plantas con suficiencia de P, dependiendo del genotipo, nivel de P en el suelo y estado de desarrollo del cultivo (Khalil et al. 1999; Kelly et al. 2001). En maíz, Kelly et al. (2001) y Zhu et al. (2005a) encontraron que la magnitud de esta reducción fue alrededor del 50%. Por otro lado, el establecimiento de la simbiosis micorrícica sería dificultoso en condiciones extremadamente deficientes en P (Smith y Read 1997). Por lo tanto existe un nivel óptimo de disponibilidad de P donde la colonización por HMA es máxima (Sawers et al. 2008). Este nivel de P sería variable entre especies (Kelly et al. 2001). El aporte de los HMA a la nutrición fosfatada de las plantas es evidente en suelos con deficiencia de P (Zhu et al. 2005a; Covacevich y Echeverría 2009), pero no deberían esperarse tales beneficios bajo condiciones no limitantes, probablemente, porque el costo de mantener la simbiosis fúngica supera el beneficio de obtener P adicional (Zhu et al. 2005a). Este costo está representado por el porcentaje de carbono adicional fijado por fotosíntesis que se destina a las raíces. En especies herbáceas y arbóreas el costo de la simbiosis involucra entre un 4% a 20% de la fotosíntesis neta diaria (Lynch y Ho 2005). Este costo debería ser compensado por un incremento en la tasa de crecimiento derivado de una mejor nutrición fosfatada. Si estas ventajas compensatorias no existen, la infección puede causar una disminución en el crecimiento, pudiendo ser no benéfico o parasitario para la planta, como se ha reportado en poroto (Nielsen et al. 1998), cebada (Lerat et al. 2003) y ryegrass (Buwalda y Goh 1982). La morfología radical también puede predeterminar la respuesta a los HMA (Tawaraya 2003). Varios trabajos demostraron que las plantas tienen menor respuesta a la micorrización cuando poseen raíces finas con gran superficie (Khalil et al. 1999), largos pelos radicales (Baylis 1975) y alta relación raíz-tallo (Khalil et al. 1994). Pero también los HMA pueden alterar ciertos parámetros de la morfología radical (Zhu et al. 2005a) y, por lo tanto, modificar la eficiencia de adquisición de P.

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Si bien existe un generalizado consenso del beneficio de la micorrización en ecosistemas naturales, en sistemas de producción agrícola su beneficio se encuentra en discusión (Ryan y Graham 2002). En tal sentido, las respuestas de los cultivos a los HMA son habitualmente impredecibles (Peng et al. 1993; Covacevich et al. 1995; Bolleta et al. 2004). En algunos casos, el mejoramiento genético realizado en los cultivos para generar resistencia a hongos y bacterias patógenos podría reducir la colonización y la respuesta a los HMA y producir reacciones incompatibles entre la planta huésped y los HMA (Ryan y Graham 2002). En comparación con los sistemas naturales, hay pocos estudios sobre la micorrización arbuscular en los sistemas agrícolas (Chandrashekara et al. 1995; Galvez et al. 2001; Menéndez et al. 2001; Mohammad et al. 2004; Mathimaran et al. 2005; Mendoza et al. 2005; Covacevich et al. 2006). Además de la disponibilidad de P en el suelo, el desarrollo de la colonización micorrícica en un sistema agrícola depende de ciertas prácticas agrícolas tales como el sistema de manejo (Gosling et al. 2006), las prácticas de labranza (Mc Gonigle et al. 1999; Galvez et al. 2001), las rotaciones (Karasawa et al. 2001) y el uso de biocidas y de prácticas de fertilización (Gosling et al. 2006) entre otros. Por lo tanto, es probable que existan diferencias en el rol de la micorrización entre cultivos agrícolas, así como entre sistemas productivos que difieran en su manejo. La mayor parte del conocimiento sobre micorrizas se ha generado a partir de estudios con uno o dos inóculos de HMA aislados, pertenecientes a diferentes especies que han sido cultivados en medios estériles bajo condiciones controladas, pero en el campo el comportamiento de la comunidad micorrícica nativa puede ser diferente (Klironomos 2003; Hart y Trevors 2005; Smith et al. 2009).

Las diferentes respuestas de los cultivos a la baja disponibilidad de P en el suelo puede ser aprovechado para diseñar prácticas agrícolas conservativas en relación a este elemento. Este conocimiento podría ayudar a reducir el uso de fertilizantes, a identificar características de las plantas que permiten incrementar la eficiencia fosfatada y utilizarlas en el mejoramiento genético futuro y puede constituir una forma económicamente eficaz de incrementar la productividad de un cultivo en suelos limitantes en P. En el Capítulo 2 se concluyó que debido a una morfología radical más favorable la soja y el girasol pueden adquirir más P por unidad de carbono invertido en biomasa radical, en comparación con el maíz. En el presente capítulo se extienden las observaciones a otras características que determinarían la eficiencia fosfatada de soja y girasol. Estos resultados podrían ayudar a explicar por qué estos cultivos presentan menores umbrales críticos de P para las recomendaciones de fertilización que trigo y maíz (Echeverría y García 2005) y menor respuesta a la fertilización fosfatada. Los objetivos de este capítulo fueron: i) evaluar la colonización micorrícica indígena en soja, girasol y maíz en suelos de la Región Pampeana; ii) evaluar la colonización por HMA y la respuesta a las micorrizas en los cultivos más eficientes (soja y girasol) bajo contrastantes niveles de P; y iii) evaluar el aporte de los HMA a la eficiencia fosfatada. Se puso a prueba la hipótesis que los cultivos que poseen una morfología que favorece una mayor eficiencia de adquisición de P presentan una baja respuesta a las micorrizas.

4.2) MATERIALES Y MÉTODOS 4.2.1) Estudio a campo

Con el objetivo de evaluar la colonización micorrícica indígena en suelos de la Región Pampera, se muestrearon 233 lotes con cultivos de soja, girasol o maíz con diferentes niveles de P disponible en el suelo en varios sitios del Norte y Oeste de la

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Región (Figura 4.1). El relevamiento involucró parcelas de ensayos de fertilización y lotes de productores. En los tres cultivos, los lotes muestreados incluyeron diferentes niveles de P inicial, diferentes rotaciones de cultivos, sistemas de labranza (siembra directa y laboreado) y dosis de P. En el caso de lotes fertilizados se aplicaron fertilizantes solubles (superfosfato triple, fosfato monoamónico). Se muestrearon raíces de plantas en estados de desarrollo reproductivos: R2 en soja de primera, R1 en soja de segunda (Fehr y Caviness 1977), R5 en girasol (Schneiter y Miller 1981) y R4 en maíz (Ritchie y Hanway 1982). Las muestras de raíces se obtuvieron a partir de muestras de suelo tomadas de 0-20 cm de profundidad sobre el surco y en el entresurco del cultivo. Para evitar las raíces más gruesas, las muestras de suelo se tomaron a 5 cm del tallo de las plantas. Las raíces fueron separadas del suelo mediante lavado y tamizado (0,6 mm) del suelo. Posteriormente, se tomó una submuestra de 1 g de raíces finas, las cuales se cortaron en segmentos de 1-2 cm de longitud, para determinar el nivel de colonización radical. Las raíces se tiñeron de acuerdo al método de Phillips y Hayman (1970). En primer lugar, las raíces fueron clarificadas en 10% KOH durante 15 minutos, luego enjuagadas con agua y acidificadas en 10% HCl por 10 minutos. A continuación, las raíces fueron teñidas con una solución de ácido láctico-glicerol-azul de Trypan durante 20 minutos, enjuagadas, desteñidas y almacenadas hasta su medición en una solución de ácido láctico y glicerol. Los segmentos de raíces teñidos se colocaron en una caja de Petri con una cuadrícula marcada en el fondo de la misma. El porcentaje de raíz colonizada por HMA se determinó mediante el método de intercepción a lo largo de 100 intercepciones radicales observadas bajo un microscopio binocular (x40) (Giovannetti y Mose 1980). En los mismos sitios donde se obtuvieron las muestras radicales, se tomaron muestras de suelo compuestas (0-20 cm de profundidad) alrededor de las plantas para medir la disponibilidad de P en el suelo (Bray1: Bray y Kurtz 1945).

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sitios muestreadossitios muestreados

Figura 4.1. Mapa de los sitios muestreados a campo.

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4.2.2) Experimento en invernáculo En un experimento en macetas bajo condiciones controladas se comparó el

desarrollo de soja y girasol en función de la disponibilidad de P y los HMA. El suelo utilizado fue un Argiudol típico, de textura franco limosa, tomado a una profundidad de 5-20 cm en Alberti (35°02’ S, 60°16’ W), Provincia de Buenos Aires. El pH suelo:agua 1:2,5 del suelo fue de 5,5, el contenido de materia orgánica (Walkley y Black 1934) de 3,65%, y la disponibilidad inicial de P (Bray1) de 8,4 mg kg-1 suelo. Para suprimir la comunidad de HMA indígenas, el suelo fue secado al aire y expuesto a altas temperaturas y radiación solar durante 6 meses. El suelo-inóculo se recolectó de lotes agrícolas cultivados con soja, girasol y maíz con bajos o medios niveles de P disponible en el suelo (3,9-13,3 mg kg-1). Con ello se formó una muestra compuesta uniformemente mezclada. La mitad del inóculo que se utilizó en el tratamiento control fue tindalizada por 1 h a 100ºC durante tres días consecutivos. Se midió el P disponible luego del tratamiento de tindalización y el mismo no se modificó en forma significativa. Luego de la tindalización el suelo se dejó reposar durante 2 meses. El suelo-inóculo estuvo formado por una mezcla de población indígena donde los géneros dominantes fueron Glomus spp., Acaulospora spp. y Scutellospora spp. (2 esporas g suelo-1).

Los tratamientos se ordenaron en un diseño en bloque completamente aleatorizado con 3 factores y 4 repeticiones. Los factores fueron especie, nivel de P y micorrizas. Las especies fueron soja (Glycine max L., Don Mario 4800 RR) y girasol (Helianthus annuus L., Paraíso 20). Los niveles de P fueron 0, 12 y 52 mg P kg-1 (bajo, medio y alto, respectivamente) añadido al medio de crecimiento como KH2PO4. El factor micorriza estuvo compuesto por dos niveles: suelo-inóculo (tratamiento con HMA) y suelo-inóculo tindalizado (tratamiento sin HMA). Macetas plásticas de 7 L de capacidad fueron llenadas con 9 kg de sustrato preparado con una mezcla de suelo y arena lavada, en una proporción 2:1 suelo:arena, respectivamente (v:v). Previo a la siembra se aplicó una fertilización basal con (cantidades por macetas): 2,8 g N (urea), 2,3 g K (K2SO4), 0,5 g Mg (MgSO4), 0,5 g Ca (CaSO42H2O), 1,5 mg Cu (CuSO45H2O), 5 mg Zn (ZnSO47H2O), 2 mg B (H3BO3), 11 mg Fe (FeSO47H2O), 15 mg Mn (MnSO4H2O). Para compensar el K añadido como KH2PO4 a los tratamientos de bajo y medio P, se agregaron 900 y 730 mg K (KCl) a dichos tratamientos, respectivamente. La soja no recibió fertilización nitrogenada, pero sus semillas se inocularon con Bradyrhizobium japonicum (109 bacterias ml-1). El suelo-inóculo, compuesto por raíces colonizadas, esporas y micelio extraradical, se colocó en las macetas en una capa, 6 cm debajo de la superficie. Cada maceta recibió 810 g, en peso fresco, de suelo-inóculo (9% del peso seco total del medio de crecimiento). Los tratamientos control recibieron la misma cantidad de suelo-inóculo tindalizado. Se sembraron 3 semillas por maceta. Las plántulas fueron raleadas a los 5 días después de la siembra, dejando una plántula por maceta. Las plántulas crecieron con luz natural en un rango de temperaturas entre 20 y 30º C. Las macetas se mantuvieron a capacidad de campo. 4.2.3) Mediciones

Las plantas fueron cosechadas 53 días después de la siembra. La parte aérea fue cortada a nivel de la superficie y colocada en estufa a 60ºC durante 3 días para determinar el peso seco. Las raíces fueron cuidadosamente lavadas y tamizadas (0,6 mm) para remover partículas de suelo y arena. Del sistema radical limpio se tomó aleatoriamente una submuestra de 1 g de raíces finas para determinar el nivel de colonización micorrícica como se describió anteriormente. La respuesta a las micorrizas se evaluó calculando la respuesta en crecimiento (RCM) y la respuesta en P (RPM) de acuerdo a Cavagnaro et al. (2003) usando las siguientes fórmulas:

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RCM = (MS inoculada – MS no inoculada) / MS no inoculada x 100

RPM = (P inoculada – P no inoculada) / P no inoculada x 100 donde MS es la materia seca de las plantas inoculadas y no inoculadas, y P es el P total absorbido de las plantas inoculadas y no inoculadas. La longitud y el diámetro radical fueron cuantificados a partir de las raíces remanentes mediante el software de análisis de imágenes Rootedge (Kaspar y Ewing 1997). Posteriormente, las raíces fueron colocadas en estufa para determinar el peso seco. Submuestras de material vegetal molido (70 mg) se calcinaron a 500º C durante 24 h. Las cenizas obtenidas se disolvieron en 8 ml de HCl 0,1 M y la concentración de P en cada órgano vegetal (hojas, tallos y raíces) se determinó colorimétricamente (Murphy y Riley 1962). Todas las determinaciones se realizaron por duplicado. La eficiencia de adquisición de P se calculó como la cantidad de P absorbido por unidad de longitud y por unidad de biomasa radical. 4.2.4) Análisis estadístico

Los datos recolectados se analizaron estadísticamente mediante análisis de varianza (ANOVA) y las medias se compararon con el test LSD Fisher (P<0,05). Los datos de P total absorbido y de longitud radical total fueron transformados a logaritmo antes del ANOVA para cumplir con el supuesto de homogeneidad de varianzas de las medias. De manera similar, los datos de RPM fueron transformados mediante una función de potencia. La relación entre la colonización por HMA y el P disponible en el suelo se describió mediante el ajuste de modelos de regresión. 4.3) RESULTADOS 4.3.1) Colonización micorrícica en el campo La soja mostró un mayor nivel de colonización por HMA que el girasol y el maíz (valores promedio: 55%, 44% y 46% para soja, girasol y maíz, respectivamente). La colonización micorrícica en soja y maíz estuvo significativa y negativamente relacionada con el P disponible en el suelo mediante funciones exponenciales (Figura 4.2a y c). La soja de primera mostró una mayor colonización por HMA que la soja de segunda a lo largo de todo el rango de P disponible en el suelo evaluado. Por lo tanto, se ajustaron dos funciones significativamente diferentes (P<0,001) para representar estas relaciones (Figura 4.2a). Las funciones obtenidas indican que por encima de 23 mg P kg suelo-1, no se modifica el porcentaje de colonización micorrícica para soja de primera, mientras que para soja de segunda, la colonización de HMA se estabilizó cuando el P del suelo estuvo por encima de 9,4 mg kg-1. Para el girasol no se encontró ningún tipo de relación significativa entre colonización micorrícica y nivel de P en el suelo (Figura 4.2b). En cambio, en maíz el valor umbral de P disponible en el suelo para el aumento de la colonización por HMA fue de 30 mg kg-1 (Figura 4.2c).

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y = 43,3+55,9.e(-0,11x)

r2 = 0,64 (P < 0,001)soja de segunda

y = 38,9+69,3.e(-0,31x)

r2 = 0,57 (P < 0,001)

soja de primera(a)

Soja

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(c) y = 35,9+37,2.e(-0,08x)

r2 = 0,37 (P < 0,001)

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P disponible en el suelo (mg kg -1)

Col

oniz

ació

n m

icor

ríci

ca(%

)

y = 43,3+55,9.e(-0,11x)

r2 = 0,64 (P < 0,001)soja de segunda

y = 38,9+69,3.e(-0,31x)

r2 = 0,57 (P < 0,001)

soja de primeray = 43,3+55,9.e(-0,11x)

r2 = 0,64 (P < 0,001)soja de segundasoja de segunda

y = 38,9+69,3.e(-0,31x)

r2 = 0,57 (P < 0,001)

soja de primerasoja de primera(a)

Soja

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Girasol

(c) y = 35,9+37,2.e(-0,08x)

r2 = 0,37 (P < 0,001)

Maíz

Figura 4.2. Relación entre la colonización por hongos micorrícicos arbusculares y el P disponible en el suelo (Bray1) en el muestreo a campo para soja (a), girasol (b) y maíz (c). La soja mostró mayores niveles de colonización por HMA en suelos con menos de 10 mg P kg suelo-1 (71,6 y 57,2% para soja de primera y soja de segunda, respectivamente) que el girasol (48,3%) (Tabla 4.1). En suelos con 10-20 mg P kg suelo-1, la soja de primera tuvo significativamente una mayor colonización que el resto

58

de los cultivos, seguido por el maíz. En suelos con una disponibilidad de P mayor a 20 mg kg-1 no se observaron diferencias significativas entre los cultivos estudiados.

No se encontraron efectos significativos en la colonización por HMA en relación a otros factores o prácticas de manejo considerados (i.e. antecesor, sistema de labranza). Tabla 4.1. Porcentaje de colonización por hongos micorrícicos arbusculares (HMA) de acuerdo al P disponible en el suelo para soja, girasol y maíz en el muestreo a campo. N es el tamaño de la muestra para cada estrato de P disponible en el suelo.

0-10 10-20 20-30 >30 P disponible en el suelo (mg kg-1)

HMA (%)

n HMA (%)

n HMA (%)

n HMA (%)

n

Soja primera 71,64 a 21 57,95 a 8 36,74 a 4 48,80 a 4 Soja segunda 57,25 b 21 38,41 c 13 41,21 a 4 42,35 a 4 Girasol 48,36 c 35 40,54 c 26 45,95 a 8 38,28 a 7 Maíz 52,73 bc 11 50,46 b 30 40,14 a 20 37,50 a 7

Valor F 19,35*** 12,41*** 1,75 n.s. 2,03 n.s.

Dentro de cada columna, letras iguales indican que no hay diferencias significativas entre las especies de acuerdo al test LSD. *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05) 4.3.2) Colonización micorrícica en el experimento en invernáculo

La colonización por HMA observada en plantas creciendo en el tratamiento con suelo no inoculado fue prácticamente insignificante (media ± EE: 1,8 ± 0,71 %). Para las plantas inoculadas, la interacción especie x nivel de P fue significativa (P=0,015) (Tabla 4.2). Las raíces de soja tuvieron 2 veces mayor colonización por HMA que el girasol en los niveles bajo y medio de P (Figura 4.3). En las plantas con alto P, los porcentajes de colonización fueron menores y no se observaron diferencias significativas entre especies. Tabla 4.2. Resultados del ANOVA para las variables colonización por hongos micorrícicos arbusculares (HMA), biomasa total producida, P total absorbido y respuesta a las micorrizas en crecimiento (RCM) y en P (RPM), en el experimento en invernáculo.

ANOVA (valores de F)

Fuente de variación

g.l. Colonización

por HMA Biomasa

total P total

absorbido RCM RPM

Especie (E) 1 47,45*** 0,96 n.s. 40,47*** 31,78*** 16,56** Nivel de P (P) 2 22,54*** 415,23*** 410,58*** 39,55*** 11,86** Micorrizas (M) 1 9,24** 24,56*** E x P 2 5,65* 35,94*** 48,93*** 12,63*** 3,59* E x M 1 1,85 n.s. 10,96** M x P 2 0,10 n.s. 8,89*** E x M x P 2 3,96* 2,75 n.s. Se muestran los valores de las pruebas F. g.l.: grados de libertad. Diferencias significativas: * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05)

59

0

10

20

30

40

50

60

70

BP MP AP

Col

oniz

ació

n m

icor

rícic

a (%

)a

ab

c

bab

c

sojagirasol

0

10

20

30

40

50

60

70

BP MP AP

Col

oniz

ació

n m

icor

rícic

a (%

)a

ab

c

bab

c

sojagirasolsojasojagirasol

Figura 4.3. Colonización por hongos micorrícicos arbusculares en el experimento en invernáculo para soja y girasol bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P). Las barras de error representan el error estándar de las medias. Las barras con la mismas letras no son significativamente diferentes (P<0,05), para la interacción especie x nivel de P. 4.3.3) Biomasa y absorción de P

La biomasa total producida mostró una interacción especie x nivel de P x micorriza estadísticamente significativa (P<0,05) (Tabla 4.2). La soja fue claramente más beneficiada que el girasol por la colonización micorrícica y su respuesta a los HMA dependió considerablemente del nivel de P (Figura 4.4a). Mientras que en condiciones de baja disponibilidad de P, la biomasa total de las plantas de soja inoculadas fue 3,5 veces mayor que las del tratamiento no inoculado, en el nivel medio de P las plantas inoculadas duplicaron la biomasa total producida por las plantas no inoculadas. Bajo condiciones de alto P las plantas de soja no mostraron efectos significativos de los HMA (Figura 4.4a). En cambio, en girasol no hubo respuesta significativa a los HMA en ninguno de los tres niveles de disponibilidad de P.

Hubieron considerables diferencias entre especies en cuanto a la absorción total de P (mg planta-1) reflejadas mediante una interacción significativa especie x micorriza (P<0,01) (Tabla 4.2). La inoculación con HMA incrementó significativamente la absorción de P en soja (promedio 41%), mientras que la colonización micorrícica no produjo ningún efecto significativo en girasol (Figura 4.4b).

60

e

bcab

e

d

cd

0

5

10

15

20

25

30

35

40

a

bc

f

aab

f

40

60

80

100

120

0

5

10

15

20

25

30

BP MP AP BP MP AP

sin micorrizas con micorrizas

Bio

mas

a to

tal (

g pl

anta

-1)

P to

tal a

bsor

bido

(mg

plan

ta-1

)

(a)

(b)

soja girasol

e

bcab

e

d

cd

0

5

10

15

20

25

30

35

40

a

bc

f

aab

f

40

60

80

100

120

0

5

10

15

20

25

30

BP MP AP BP MP AP

sin micorrizas con micorrizassin micorrizas con micorrizas

Bio

mas

a to

tal (

g pl

anta

-1)

P to

tal a

bsor

bido

(mg

plan

ta-1

)

(a)

(b)

sojasoja girasolgirasol Figura 4.4. Biomasa total producida (a) y P total absorbido (b) en el experimento en invernáculo para plantas de soja y girasol con y sin micorrizas bajo diferentes niveles de P (BP: bajo P; MP: medio P; AP: alto P). Las barras de error representan el error estándar de las medias. Las barras con la mismas letras no son significativamente diferentes (P<0,05), para la interacción especie x nivel de P x micorrizas. 4.3.4) Respuesta a las micorrizas En ambas variables de respuesta a las micorrizas (RCM y RPM) se observó una interacción significativa especie x nivel de P (Tabla 4.2). La soja mostró mayor RCM y RPM que el girasol, en niveles medios y bajos de P (Tabla 4.3). Las plantas de soja con bajo nivel de P tuvieron particularmente altos valores de RCM y RPM. El incremento en el aporte de P redujo significativamente la RCM y la RPM en las plantas de soja. El girasol mostró altos valores de RCM y RPM solamente en las plantas con bajo P.

61

Tabla 4.3. Respuesta en crecimiento (RCM) y respuesta en P (RPM) a las micorrizas en el experimento en invernáculo.

Tratamiento Especies Nivel de P

RCM (%) RPM (%)

BP 244,87 c 519,98 d MP 94,53 b 214,63 c Soja AP 6,93 a 13,56 ab

BP 77,96 b 99,11 bc MP -12,20 a -12,41 a Girasol AP 12,18 a -3,90 ab

BP nivel bajo de P; MP nivel medio de P; AP nivel alto de P. Dentro de cada columna, letras iguales indican que no hay diferencias significativas (P<0,05) de acuerdo al test LSD. 4.3.5) Parámetros relacionados con la eficiencia fosfatada La interacción especie x nivel de P x micorrizas fue estadísticamente significativa (P<0,05) para la variable longitud radical total (Tabla 4.4), la cual mostró una tendencia similar a la biomasa. La longitud radical de soja se incrementó 2,9 veces en las plantas inoculadas con baja disponibilidad de P, mientras que en las plantas creciendo con niveles medios de P, este incremento fue de 1,8 con respecto a las plantas no inoculadas. No hubo respuesta a los HMA en soja con alta disponibilidad de P. En girasol, no se observaron efectos de los HMA en ninguno de los niveles de P.

62

Tabla 4.4. Efectos del nivel de P y de la inoculación con hongos micorrícicos arbusculares (HMA) sobre la longitud radical total, el diámetro radical medio y la eficiencia de adquisición de P por unidad de biomasa y de longitud radical para soja y girasol en el experimento en invernáculo. Entre paréntesis se dan los errores estándar de las medias.

Longitud radical total

Diámetro medio radical

Eficiencia de absorción de P por unidad de biomasa

radical

Eficiencia de absorción de P por unidad de longitud

radical

Tratamiento

m mm mg P g-1 raíz mg P m-1 raíz

NM 31,0 (2,8) b 0,30 (0,01) 3,97 (0,44) 0,06 (0,01) BP M 89,7 (3,3) d 0,38 (0,02) 7,29 (2,19) 0,12 (0,03)

NM 49,8 (8,1) c 0,27 (0,03) 7,90 (0,57) 0,11 (0,01) MP

M 89,6 (20,4) d 0,40 (0,01) 8,04 (1,72) 0,19 (0,04) NM 201,0 (38,9) e 0,28 (0,01) 17,86 (2,85) 0,24 (0,03)

Soja

AP M 198,8 (41,1) e 0,39 (0,01) 11,50 (1,13) 0,28 (0,04)

NM 19,3 (2,5) a 0,17 (0,02) 3,55 (0,10) 0,02 (0,01) BP M 16,9 (2,4) a 0,27 (0,02) 3,05 (0,21) 0,05 (0,01)

NM 48,0 (13,6) bc 0,27 (0,04) 13,54 (3,62) 0,17 (0,06) MP

M 40,7 (6,2) bc 0,32 (0,01) 6,70 (1,03) 0,11 (0,02) NM 286,7 (16,0) f 0,27 (0,01) 28,60 (3,04) 0,34 (0,03)

Girasol

AP M 399,7 (69,2) f 0,34 (0,01) 15,12 (1,36) 0,24 (0,04)

NM 9,91 a 0,14 a Soja M 8,82 a 0,19 b

NM 15,23 b 0,18 ab Girasol

M 8,29 a 0,13 a ANOVA (valores de F) Especie (E) 17,78*** 31,97*** 4,29* 0,74 n.s. Nivel de P (P) 265,30*** 6,54** 58,97*** 52,55*** Micorrizas (M) 14,65*** 70,83*** 13,29*** 0,32 n.s. E x P 35,52*** 7,71** 5,70** 1,74 n.s. E x M 8,26** 1,91 n.s. 6,23* 7,49** M x P 1,26 n.s. 0,03 n.s. 8,96*** 1,32 n.s. E x M x P 7,91** 2,04 n.s. 0,30 n.s. 1,05 n.s.

BP nivel bajo de P; MP nivel medio de P; AP nivel alto de P; NM no micorrizada; M micorrizada. Dentro de una columna, letras iguales indican que no hay diferencias significativas (P<0,05) de acuerdo al test LSD. Se muestran los valores de F. Diferencias significativas: * P<0,05; ** P<0,01; *** P<0,001; n.s. no significativo (P>0,05).

La inoculación con HMA condujo a un firme incremento del diámetro medio radical en las dos especies (Tabla 4.4). Para esta variable el ANOVA mostró una interacción significativa especie x nivel de P. La disponibilidad de P no afectó el diámetro radical de la soja (promedio 0,34 mm), aunque si incrementó el diámetro radical de girasol creciendo con alto nivel de P. Las plantas de girasol con bajo P tuvieron los más bajos diámetros radicales (0,22 mm) (Tabla 4.4).

63

Para ambas eficiencias de adquisición de P (por unidad de longitud radical y por unidad de biomasa radical) la interacción especie x micorriza fue estadísticamente significativa (Tabla 4.4). Las dos especies respondieron a la inoculación con HMA de diferente manera. En soja los HMA incrementaron la eficiencia de adquisición de P por unidad de longitud radical en todos los niveles de P (en promedio 36%), pero no afectaron la eficiencia de adquisición de P por unidad de biomasa radical. En girasol, por el contrario, la eficiencia de adquisición de P por unidad de longitud radical no cambió en respuesta a los HMA, pero si se observó una reducción significativa cuando la eficiencia se calculó sobre la base de biomasa radical (en promedio 46%).

4.4) DISCUSIÓN El muestreo sincronizado de raíces y suelo a campo permitió caracterizar la

relación entre el P disponible en el suelo y la colonización micorrícica indígena en un amplio rango de lotes agrícolas del Norte de la Región Pampeana. Los altos niveles de colonización observados en soja y girasol sugieren que los HMA están muy presentes en estos sistemas y que el potencial para seleccionar cultivos más receptivos a los HMA parece ser alentador. Los porcentajes de colonización radical por HMA en el campo fueron altos incluso en suelos ricos en P, en los cuales este porcentaje se mantuvo por encima del 30%. En soja la colonización micorrícica tendió a estabilizarse en alrededor de 43% con altos niveles de disponibilidad de P. Los valores umbral de P disponible en el suelo para el aumento de la colonización por HMA encontrados en este cultivo (23 y 9,4 mg P kg suelo-1 para soja de primera y soja de segunda, respectivamente) fueron menores que el encontrado para maíz (30 mg P kg suelo-1). También fueron menores que el valor encontrado para trigo (27 mg P kg suelo-1) por Covacevich et al. (2007) en el Sudeste de la Región Pampeana. Estos umbrales para HMA estuvieron próximos al rango crítico de P en el suelo comúnmente aceptado en las recomendaciones de fertilización de soja (9 a 21 mg P kg-1) (García et al. 2005; Dodd y Mallarino 2005). En el caso de maíz y trigo, estos valores estuvieron muy por encima de los rangos críticos aceptados: 15 a 21 mg P kg-1 para maíz (Mallarino y Blackmer 1992; Dodd y Mallarino 2005; Echeverría y García 2005) y 14 a 18 mg P kg-1 para el trigo (Baker y Tucher 1973; Barberis et al. 1987; Jackson et al. 1997; Ron y Loewy 2000). La estrecha correspondencia entre los valores de umbral de HMA y nivel crítico de P en el suelo observado en soja sería ventajosa debido a que el incremento en la proporción de raíces colonizadas ocurre justo en el punto donde el P del suelo se vuelve un factor limitante para el crecimiento. La colonización por HMA en las plantas de soja creciendo en invernáculo también mostró una alta sensibilidad a la disponibilidad de P en el suelo. El girasol mostró una relación inversa entre la colonización por HMA y el P disponible en el suelo en el experimento en invernáculo, pero no se encontró dicha relación en el campo. En ambas especies se observaron menores niveles de colonización por HMA en el experimento de invernáculo comparado con el muestreo a campo, esto puede ser explicado por los diferentes estados fenológicos alcanzados en el momento de las mediciones de HMA. La proporción de raíces colonizadas se incrementa con el avance de los estados fenológicos de soja (Sutton 1973) y girasol (Chandrashekara et al. 1995). Mientras que las plantas a campo fueron muestreadas en estados reproductivos (R1-R2 en soja, R5 en girasol), las plantas crecidas en invernáculo se cosecharon en estado vegetativo (a los 53 días después de la siembra). Probablemente, en este estadío los HMA se encontraban en la fase inicial del extenso desarrollo micorrícico. Por lo misma razón, los diferentes umbrales encontrados en el campo para soja de primera y soja de

64

segunda sean posiblemente atribuidos a los diferentes tiempos de crecimiento de los dos cultivos.

La soja resultó notoriamente más beneficiada por la simbiosis con HMA que el girasol, lo cual puede estar asociado a los mayores niveles de colonización micorrícica alcanzados en soja, especialmente en situaciones de deficiencia fosfatada. La comparación entre plantas de soja inoculadas y no inoculadas indicó, de manera consistente, que la colonización micorrícica ejerció un efecto positivo sobre la acumulación de biomasa y la absorción de P en niveles bajos y medios de P disponible. Los beneficios de los HMA también fueron reflejados por los valores altos de RCM y RPM. Especialmente, en condiciones de baja disponibilidad de P el efecto de los HMA fue notable. La alta respuesta de la soja a los HMA ha sido demostrada en trabajos anteriores (Khalil et al. 1994; Nurlaeny et al. 1996; Kelly et al. 2001), esto puede tener una gran utilidad agronómica como ser la disminución del requerimiento crítico de P en el suelo, como ha sido propuesto por Plenchette y Morel (1996). Tal como se esperaba, bajo condiciones óptimas de disponibilidad de P, desaparecieron los beneficios resultantes de la asociación con HMA. Por otro lado, el girasol no mostró beneficios derivados de la simbiosis con HMA. La acumulación de biomasa y la absorción total de P no mostraron diferencias significativas entre las plantas inoculadas y no inoculadas con HMA, sin embargo las RCM y RPM resultaron mayores en las plantas creciendo con bajo P. Los pocos estudios hallados en la literatura que evalúan el rol de los HMA en girasol, muestran resultados contradictorios. Thompson (1987) encontró que el girasol micorrizado creció mucho mejor cuando se lo fertilizó con P en comparación con plantas de girasol no micorrizadas. Por el contrario, Koide (1985) mostró que la colonización por HMA causó una disminución en el área foliar de plantas de girasol creciendo con baja disponibilidad de P. En línea con los resultados de este capítulo, Sakurai et al. (2001) no encontró ninguna respuesta positiva a los HMA en cuanto a la acumulación de biomasa de girasol. En este estudio, bajo condiciones de medio y alto P el girasol mostró valores negativos de respuesta a los HMA (en ambos RCM y RPM), aunque no significativamente distintos de cero (basados en los valores de LSD). Esta respuesta nula indica que no hay un efecto neto de las micorrizas, lo cual significa que el costo de mantener al hongo micorrícico balancea el beneficio obtenido por la planta huésped. Como explicaron Smith et al. (2009), después que se produce la colonización inicial de las raíces por los HMA, la vía de absorción por los HMA domina la absorción de P desde el suelo y la expresión de los transportadores epidérmicos de P es sub-regulada. Este proceso está mediado por señales específicas tanto del hongo como de la planta, provocando una disminución de la vía de absorción directa de la raíz.

En el Capítulo 2, se concluyó que la soja y el girasol, en comparación con el maíz, eran capaces de absorber más P por unidad de carbono invertido en biomasa radical (esto es mayor eficiencia de adquisición de P). También se observó que esta mayor eficiencia estuvo relacionada a una morfología y arquitectura radical más favorable (esto es mayor proporción de raíces superficiales, mayor longitud radical específica) en soja y girasol. Los resultados de los experimentos presentados en este capítulo permiten ampliar aquellas observaciones demostrando que la alta eficiencia de adquisición de P de la soja también está relacionada con el gran beneficio que obtiene de la colonización por HMA. Asimismo, una de las contribuciones más destacables de las HMA a la soja fue una mayor eficiencia de adquisición de P de manera sincronizada con el nivel de P disponible: el incremento en la eficiencia fosfatada debido a los HMA fue intensificado bajo condiciones deficientes en P, como se muestra en la Tabla 4.4. Por el contrario, la mayor eficiencia de adquisición del girasol reportada en el Capítulo 2 no estuvo asociada a la simbiosis con HMA.

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Los HMA incrementaron el diámetro medio radical en ambas especies, de manera consistente. Esta respuesta a la colonización micorrícica ya ha sido reportada para distintas especies (Hetrick et al. 1988; Peng et al. 1993; Nurlaeny et al. 1996; Schroeder y Janos 2005), especialmente cuando las plantas micorrizadas fueron crecidas con baja disponibilidad de P. Esto se debe, posiblemente, a la mejora en la absorción de P debido a los HMA, aunque el incremento de la producción de hormonas del huésped también puede ser responsable (Berta et al. 1993). En soja micorrizada, dado que mostró un mayor porcentaje de colonización con respecto al girasol, este aumento del diámetro radical podría estar compensado por una mayor longitud de hifas, las cuales facilitan el acceso a un mayor pool de P del suelo (Tarafdar y Marschner 1994). Por otro lado, el girasol presentó raíces más finas que las de soja, lo cual permitiría su mayor eficiencia de adquisición de P en ausencia de micorrizas. Por lo general, se sostiene que las características de las plantas que conducen a incrementar la absorción de P tales como la finura radical estarían negativamente relacionadas con la colonización y respuesta a los HMA (Baylis 1970; Graham y Syvertsen 1985). En el trabajo de Khalil et al. (1999) realizado con soja, la superficie y la longitud radical estuvieron negativamente relacionados mientras que el diámetro radical fue positivamente relacionado con la respuesta a la colonización por HMA. Los resultados de esta tesis están en línea con las observaciones precedentes dado que el nivel de colonización y la respuesta a los HMA estuvieron relacionados con la morfología radical en las dos especies evaluadas. Los pelos radicales son otra característica radical que podría influenciar la respuesta a las micorrizas, pero la misma no ha sido estudiada en esta tesis. Está generalmente establecido que plantas con pelos radicales largos y densos están negativamente relacionadas con la dependencia a las micorrizas (Koide 1991). Sin embargo, Khalil et al. (1999) no encontraron correlaciones significativas entre las características de los pelos radicales con la respuesta a las micorrizas o con la colonización micorrícica, en cultivares de soja.

La simbiosis HMA-huésped es una interacción compleja y su incidencia sobre el desarrollo de las plantas depende de las condiciones de crecimiento y de la especie huésped. Más allá de los beneficios relacionados con la nutrición fosfatada, otros beneficios nutricionales derivados de la colonización micorrícica deben ser tenidos en cuenta, tales como el aumento de la absorción de micronutrientes como Zn, Cu, Fe, Mg, B y Mn, el aumento de la tolerancia a la sequía y a los metales pesados por las plantas (Hart y Trevors 2005). Efectos no nutricionales tales como la reducción de la severidad de enfermedades en algunas plantas y el incremento de la estabilidad del suelo son también importantes (Smith y Read 1997; Rillig et al. 2002). Por lo tanto, todos estos efectos deberían ser considerados en el momento de analizar el balance costo/beneficio de la colonización por HMA.

Las micorrizas pueden ser consideradas como una herramienta útil, especialmente en regiones con limitaciones en el uso de fertilizantes fosfatados. Para ello deben considerarse ciertas estrategias de manejo en los sistemas de producción. Estas estrategias incluyen un reducido disturbio del suelo para maximizar la colonización por HMA, evitar rotaciones donde cultivos dependientes de los HMA son sembrados luego de cultivos no micorrizales y el uso de cultivos que se puedan beneficiar a partir de las micorrizas (Jakobsen et al. 2005). Asimismo, se ha señalado que la contribución cuantitativa de las micorrizas a la nutrición vegetal de cultivos económicamente importantes en suelos que no son altamente deficientes en P no está del todo clara y que los HMA no necesariamente incrementan la absorción de P lo suficiente como para maximizar los rendimientos (Ryan y Graham 2002).

66

4.5) CONCLUSIONES

Del presente capítulo surgen tres observaciones sobre este tema que se pueden

destacar: i) la importante variabilidad interespecífica en cuanto a la respuesta a los HMA que existe entre cultivos eficientes en P, ii) un notable beneficio derivado de los HMA, reflejado por la acumulación de biomasa total, observado en soja en “suelos no altamente deficientes en P” (el tratamiento medio de P, Figura 4.4), iii) el máximo crecimiento fue observado en el tratamiento con alto P con o sin micorrizas, lo cual significa que los HMA no incrementaron suficientemente la absorción de P como para maximizar el rendimiento de los cultivos. En los suelos de la Región Pampeana existe un gran potencial para la simbiosis con HMA, tal cual es sugerido por los altos niveles de colonización micorrícica observados en el muestreo a campo. Particularmente, la simbiosis con HMA puede contribuir a la mayor habilidad de la soja para crecer en suelos con bajo P y a explicar los bajos niveles críticos de P de este cultivo comparado con otros.

67

CAPÍTULO 5

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES GENERALES

68

Las rotaciones más comunes de la Región Pampeana incluyen a la soja, el girasol y el maíz como los principales cultivos estivales y al trigo como el principal cultivo invernal. Ha sido consistentemente reportado que estos cultivos poseen diferentes niveles críticos de P, lo cual sugiere que su habilidad para hacer uso de la oferta edáfica de P es diferente. Las plantas superiores han desarrollado diversos mecanismos morfológicos y bioquímicos para incrementar la adquisición de P del ambiente, incluyendo adaptaciones específicas de morfología y arquitectura radical, parámetros de la cinética de absorción de P, alteraciones de la rizósfera y la simbiosis con hongos micorrícicos arbusculares (HMA) (Vance et al. 2003; Lambers et al. 2006), los cuales se resumen en la Figura 5.1.

exploración del horizonte superficial

raíces adventicias

aerénquima

pequeño diámetro radical

baja superposición entre raíces

- exudados radicales

- cambios en el pH rizosférico

- cinética de absorciónpelos radicales

densos y largos

micorrizas

mayor biomasa radical

Especie eficiente

exploración del horizonte superficial

raíces adventicias

aerénquima

pequeño diámetro radical

baja superposición entre raíces

- exudados radicales

- cambios en el pH rizosférico

- cinética de absorciónpelos radicales

densos y largos

micorrizas

mayor biomasa radical

Especie eficiente

Figura 5.1. Mecanismos de la eficiencia de adquisición de P. El objetivo general de esta tesis fue realizar un análisis comparativo de la

eficiencia en la adquisición y utilización del P de los principales cultivos agrícolas estivales de la Región Pampeana (soja, girasol y maíz). La eficiencia de adquisición de P se ha definido como la cantidad de nutriente absorbido por unidad de longitud, área o peso radical mientras que la eficiencia de utilización expresa la cantidad de biomasa producida por unidad de nutriente presente en dicha biomasa. Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 5.1, y sustentan la hipótesis general planteada, en la cual se propuso que el maíz tiene una menor eficiencia de adquisición de P que la soja y el girasol. De las variables evaluadas en la presente tesis que se relacionan con la eficiencia de adquisición de P, la soja se posicionó alta en casi todas ellas. Mientras que el girasol se ubicó alto en cuatro de ellas (LRE, ARE, diámetro radical medio y

69

absorción de P por unidad de biomasa radical). El maíz, en términos comparativos, mostró menos características favorables en cuanto a la adquisición de P, pero fue la especie más eficiente en la utilización del mismo. Tabla 5.1. Resumen de la comparación entre soja, girasol y maíz para las diferentes variables de la eficiencia de adquisición y utilización de P en todos los experimentos realizados (a campo, invernáculo, hidroponia). +++ a + representan una escala de mayor a menor eficiencia.

Variables de la eficiencia fosfatada Soja Girasol Maíz Eficiencia de adquisición de P Arquitectura radical ++ + + Longitud radical total ++ + ++ Relación raíz-tallo + + ++ Longitud radical específica (LRE) +++ ++ + Área radical específica (ARE) ++ ++ + Porosidad radical ++ + + Diámetro radical medio ++ ++ + Colonización por HMA +++ + ++ Absorción de P por unidad de longitud radical ++ + + Absorción de P por unidad de biomasa radical ++ ++ + Eficiencia de utilización de P Utilización de P para biomasa + + ++ Utilización de P para grano + + ++

El primer objetivo específico de esta tesis fue comparar la habilidad de la soja, el girasol y el maíz para adquirir y utilizar P del suelo y evaluar algunos de los mecanismos morfológicos que determinan la eficiencia fosfatada (capítulo 2). La principal observación fue que soja, girasol y maíz se clasificaron diferente de acuerdo a la característica específica de eficiencia fosfatada considerada. Mientras la soja y el girasol mostraron una alta eficiencia de adquisición de P, el maíz fue más eficiente en su utilización. Se observó que soja y girasol, en comparación con maíz, son capaces de absorber más P por unidad de C invertido en biomasa radical. Esta mayor eficiencia se relacionó con una morfología y arquitectura radical más favorable (mayor LRE y mayor proporción de raíces superficiales) en soja y girasol. En la siguiente sección se discute con mayor detalle estas características. En este mismo capítulo se analizó la partición de biomasa a raíz mediante la teoría alométrica. Los resultados obtenidos permitieron corroborar la hipótesis propuesta, dado que se demostró que la relación raíz-tallo estuvo determinada por el tamaño total de la planta y no por la disponibilidad de P.

En el capítulo 3 se evaluó la formación de porosidad y su efecto sobre la eficiencia de adquisición de P en soja, girasol y maíz. La porosidad radical ha sido propuesta (Lynch y Brown 1998) como una adaptación al estrés de P que permite reducir el costo metabólico de exploración del suelo. Los resultados de este capítulo permitieron demostrar que la deficiencia de P indujo la formación de porosidad radical en los tres cultivos. La soja fue la especie que mostró mayor desarrollo de espacio poroso en respuesta a dicho estrés. También se observó que la presencia de esta mayor porosidad en soja contribuyó a que sea más eficiente que el girasol y el maíz en absorber P, asociado a la presencia de raíces más finas y a una menor densidad radical.

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Finalmente, en el capítulo 4 se evaluó el impacto de la micorrización sobre la eficiencia fosfatada y la respuesta a los hongos micorrícicos en los cultivos más eficientes (soja y girasol). La soja resultó notoriamente más beneficiada por la simbiosis con HMA que el girasol. Una de las más destacables contribuciones de los HMA a la soja fue una mayor eficiencia de adquisición de P de manera sincronizada con el nivel de P disponible: el incremento en la eficiencia fosfatada debido a los HMA fue intensificado bajo condiciones deficientes en P. Por el contrario, la mayor eficiencia de adquisición del girasol no estuvo asociada a la simbiosis con HMA sino a su morfología radical (i. e. raíces más finas), lo cual le permitió incrementar la absorción de P con una menor dependencia de las micorrizas. En este capítulo se estudió también la colonización micorrícica nativa en suelos de la Región Pampeana para los cultivos de soja, girasol y maíz. Los altos niveles de colonización observados en los tres cultivos demostraron que los HMA están muy presentes en estos sistemas. Particularmente, en el caso de la soja, la estrecha correspondencia entre los valores de umbral de hongos micorrícicos y nivel crítico de P en el suelo sería ventajosa debido a que el incremento en el porcentaje de colonización ocurre justo en el punto donde el P del suelo se vuelve limitante para el crecimiento de dicho cultivo.

5.1) IMPLICANCIAS AGRONÓMICAS DE LOS RESULTADOS OBT ENIDOS

Como se mencionó en la Introducción general de esta tesis la ‘eficiencia nutricional’ de las plantas puede ser definida de diversas maneras según el contexto y el objetivo planteado. Las características radicales relacionadas con la eficiencia de adquisición de nutrientes han sido escasamente utilizadas como criterio de selección en los programas de mejoramiento vegetal modernos (Lynch 2007). El notable mejoramiento genético realizado en los principales cultivos durante este siglo se produjo en base al incremento del rendimiento en condiciones de alta disponibilidad de nutrientes. Este fue el fundamento de la ‘Revolución Verde’, mediante la cual se desarrollaron variedades de diferentes cultivos para responder a altas dosis de fertilizantes, sin manifestar volcado o síntomas de toxicidad. Sin embargo, un aspecto negativo de la ‘Revolución Verde’ es que las nuevas variedades son generalmente ineficientes ante niveles bajos de fertilidad edáfica. Esto implica que su rendimiento es sumamente dependiente de la provisión de recursos en altas dosis (por ejemplo fósforo) lo cual puede incluir un incremento de los costos de producción y riesgos de polución ambiental descriptos en el capítulo 1. Teniendo en cuenta estos factores, lo que se propone es un cambio de paradigma en la investigación en cultivos agrícolas, tendiente a explorar mecanismos que permitan incrementar o al menos mantener los rendimientos pero con un menor requerimiento de insumos (Lynch 2007). En este contexto, un cultivo eficiente en P es aquel que posee menor merma de rendimiento en condiciones subóptimas de disponibilidad de P (Lynch 1998). Para llevar adelante este nuevo paradigma se necesita realizar un manejo integrado de nutrientes (Lynch 2007). El mismo debe involucrar un uso juicioso de los fertilizantes, la adopción de prácticas de manejo que permitan conservar e incrementar la fertilidad del suelo y el desarrollo de sistemas de cultivo en los cuales la combinación de especies en rotaciones e intercultivos permita maximizar la adquisición de P en suelos de baja fertilidad. En esta tesis se han identificado características radicales que permiten incrementar la eficiencia de adquisición de P en los cultivos de soja y girasol, asociadas a la capacidad de explorar el suelo con un mínimo costo metabólico. Estas características son: la longitud y el área radical específica, el diámetro y la porosidad

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radical. La selección de especies o genotipos con gran producción de raíces sería una característica no deseada en este nuevo paradigma, dado que el costo metabólico (medido en unidades de C) para el crecimiento y mantenimiento radical puede constituir un drenaje significativo de los recursos, especialmente en los ambientes poco fértiles. Una especie que es capaz de adquirir recursos limitantes del suelo, P en este caso, con una menor inversión metabólica, tendrá relativamente una mayor productividad y por ende un menor requerimiento externo de P (umbral crítico). Dicha especie dispondrá de más C y P para optimizar la adquisición de otros recursos, el crecimiento y la reproducción.

A partir de lo dicho en los párrafos anteriores, los mecanismos que permiten incrementar la eficiencia de las raíces en adquirir P deberían ser considerados en los programas de mejoramiento, más que el tamaño radical en si mismo. En cuanto a las características de su morfología radical, el maíz mostró una alta longitud radical total y relación raíz-tallo. Ambas variables dependen del tamaño total de la planta, no estando directamente relacionadas con la eficiencia nutricional de la misma. Como se ha dicho anteriormente especies con sistemas radicales más grandes, asociados con mayores costos de producción y mantenimiento y mayor demanda total de P, no son necesariamente los más eficientes en términos de adquisición de P. El hecho que los umbrales críticos de P reportados en maíz sean más altos que los de soja y girasol, sugiere que estas variables tienen poca importancia relativa en cuanto a la eficiencia de adquisición de P.

La presión de selección que se ha generado por medio del mejoramiento de los cultivos para brindarles resistencia a bacterias y hongos patógenos podría exacerbar los bajos niveles de colonización y respuesta a los HMA encontrados en muchos sistemas agrícolas (Ryan y Graham 2002). Sistemas productivos con elevados “inputs” de fertilizantes y agroquímicos reducen la formación de micorrizas y pueden oscurecer los beneficios potenciales de la infección. De cara al nuevo paradigma, las micorrizas pueden ser consideradas como una herramienta útil, especialmente bajo condiciones limitantes en P. Para ello deben considerarse ciertas estrategias de manejo agronómico en los sistemas de producción. Estas estrategias incluyen un reducido disturbio del suelo, el uso de cultivos que se puedan beneficiar a partir de las micorrizas y evitar rotaciones donde cultivos dependientes de los HMA sean sembrados luego de cultivos no micorrizales. La incidencia de la colonización micorrícica debería ser tenida en cuenta para ajustar la dosis de fertilizante a aplicar para obtener buenos rendimientos sin reducir la micorrización, disminuyendo así costos y el riesgo de polución ambiental, además de otros beneficios que producen los HMA como ser la mejora en la agregación del suelo. No obstante, se debe tener en cuenta que si bien la presencia de micorrizas mejora el estado de fertilidad del suelo, la capacidad de esta simbiosis para satisfacer los elevados requerimientos de los cultivos de alta producción en suelos que poseen grandes deficiencias de P es considerada insuficiente. Por lo tanto, ésta variable no debería aislarse de los mecanismos involucrados en la morfología radical.

El hecho de que las tres especies estudiadas difieran en su umbral crítico de P no estaría ligado a su capacidad de extraer distintas formas de P del suelo, ni al agotamiento diferencial de este elemento producido por la acidificación de la rizósfera (Faggioli 2008). Tampoco debería esperarse un gran efecto por el incremento del número de transportadores de iones. La actividad de los transportadores está limitada por la llegada de nuevo sustrato (en este caso fosfato) a la superficie radical mediante el lento proceso de difusión (Barber 1995) y por la biodisponibilidad de dicho sustrato. Por lo tanto la manipulación de los transportadores mediante técnicas de biología

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molecular y celular no sería de demasiada utilidad en la eficiencia de adquisición de P (Lynch 2007). 5.2) APORTES ORIGINALES SURGIDOS DE LA TESIS 1. Determinación de algunas de las causas de la menor respuesta de la soja a la

fertilización fosfatada. El cultivo de soja presenta una respuesta poco consistente a la fertilización fosfatada, a pesar de sus elevados requerimientos de P. Las causas de esta menor dependencia a los fertilizantes fosfatados no había sido dilucidada hasta el momento. Los resultados obtenidos a partir de esta tesis aportan una sólida evidencia acerca de algunos de los mecanismos que ayudan a explicar el porqué de los menores requerimientos de P en el suelo en soja con respecto a otras especies. Estos mecanismos están ligados a características de la morfología radical que permiten explorar el suelo con un mínimo costo metabólico para la planta.

2. Desarrollo de porosidad radical en soja y girasol inducido por deficiencia fosfatada y su incidencia sobre la eficiencia de adquisición de P. Los resultados obtenidos en el capítulo 3 demostraron la formación de porosidad radical inducida por deficiencia de P en los cultivos de soja y girasol y maíz. No hay reportes previos en la literatura que demuestren que la presencia de una mayor porosidad radical contribuye a que una especie sea más eficiente en adquirir P, como se ha demostrado en esta tesis para soja.

3. Importancia de la micorrización nativa en suelos de la Región Pampeana. La relación entre la micorrización nativa y la disponibilidad de P en el suelo a escala regional no ha sido reportada con anterioridad en otros trabajos científicos para los cultivos de soja, girasol y maíz. Los resultados obtenidos en esta tesis revelan que en los suelos de la Región Pampeana existe un gran potencial para la simbiosis con HMA, tal cual es sugerido por los altos niveles de colonización micorrícica observados, incluso en suelos ricos en P. Particularmente en el caso de la soja, la simbiosis con HMA puede contribuir a su mayor habilidad para crecer en suelos con bajo P y a explicar los bajos niveles críticos de P de este cultivo comparado con otros.

4. Incidencia de la micorrización sobre la adquisición de P en cultivos eficientes. La alta eficiencia de adquisición de P de soja también demostró estar relacionada con el beneficio que obtiene de la colonización por HMA. Por el contrario, la alta eficiencia de adquisición de girasol no estuvo asociada a la simbiosis con micorrrizas, sino a su morfología radical. En soja, esta mayor eficiencia de adquisición de P estuvo sincronizada con el nivel de P disponible en el suelo: el incremento en la eficiencia fosfatada debido a los HMA fue intensificado bajo condiciones deficientes en P. Sin embargo, los HMA no necesariamente incrementaron la absorción de P lo suficiente como para igualar los rendimientos alcanzados bajo condiciones de alta disponibilidad de P, por lo que de ningún modo puede suplir a la fertilización.

5. Efecto del tamaño de la planta sobre la relación raíz-tallo. Los resultados surgidos de esta tesis permitieron demostrar que la relación raíz-tallo en los tres cultivos estuvo principalmente regulada por el tamaño total de la planta, siguiendo estrictas relaciones alométricas más allá de la disponibilidad de P o de las condiciones de crecimiento. Existen pocos antecedentes en la literatura que relaciona el efecto del P sobre las relaciones alométricas de raíz y biomasa aérea. Mis resultados revelan la robustez de la aproximación alométrica para predecir el modelo de partición de biomasa en estos cultivos, permitiendo una aplicación adicional de

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los resultados obtenidos. Habida cuenta de la dificultad de extraer muestras radicales para cuantificar la biomasa subterránea, los coeficientes KRMA obtenidos podrían ser de utilidad para diferentes aspectos de la ecología agrícola, como el balance de carbono y nutrientes.

5.3) POSIBLES LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN FUTURAS 1. El empleo de las características identificadas en cada especie que permiten

incrementar la eficiencia fosfatada en el mejoramiento genético futuro para ambientes con bajo P. En esta tesis se compararon genotipos adaptados a crecer en condiciones de óptima fertilidad. La mayor parte del mejoramiento de los últimos 50 años se ha focalizado en características de rendimiento y resistencia a enfermedades seleccionados en ambientes de alta fertilidad. Mientras que las características radicales relacionadas con la eficiencia de adquisición de nutrientes han sido raramente utilizadas como criterio de selección por los mejoradores modernos, representando un pool de gran variabilidad, prácticamente, sin aprovechar. El nuevo desafío para los próximos años debería conducir a incrementar los rendimientos en condiciones de baja fertilidad.

2. Porosidad radical y nutrición vegetal. El efecto de la deficiencia de P sobre la generación de porosidad en soja y girasol, y su incidencia sobre la eficiencia de adquisición de P quedó demostrado en esta tesis. Aún queda mucho por estudiar acerca de los mecanismos de cómo las células corticales inician la lisis celular y forman aerénquima bajo estrés de P. También sería interesante indagar sobre las desventajas asociadas a la presencia de tejido poroso y cuales son sus implicancias en la nutrición vegetal. La investigación en este sentido puede proveer información acerca del significado fisiológico del tejido poroso en raíces de plantas estresadas con deficiencia de P.

3. Pelos radicales y selección de cultivares eficientes en adquirir P. Una característica de la morfología radical que permite incrementar la eficiencia de adquisición de P con un mínimo costo metabólico y que no ha sido evaluada en esta tesis son los pelos radicales. Los mismos son muy importantes en la adquisición de P, especialmente en las plantas no micorrícicas, ya que cumplen funciones similares a las de las hifas de los hongos micorrícicos. Es más, se ha demostrado la importancia de la longitud y la densidad de los pelos radicales en la eficiencia de adquisición de P incluso en presencia de micorrizas. Es sabido que existe una gran variación genética en cuanto a longitud y morfología de pelos radicales en diferentes especies, incluyendo a la soja (Richardson et al. 2009). En maíz, Zhu et al. (2005b), encontraron tres QTL’s asociados con la longitud de los pelos radicales en condiciones de alta fertilidad y un QTL diferente para condiciones de estrés de P. Estos avances resaltan la importancia del componente pelos radicales en la selección de cultivares eficientes en adquisición de P mediante los programas de mejoramiento genético.

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