Translate PaperArtículo originalEfecto de productos bioactivos sobre la germinación de granos de polen de teca crioconservados
[0000-0002-7226-2275] Ana Hine-Gómez [1] [2] [*]
[0000-0003-4874-2161] Alejandra Rojas-Vargas [2]
[0000-0002-6014-9005] Lorenzo Suárez-Guerra [3]
[0000-0003-3213-8867] Olman Murillo-Gamboa [4]
[0000-0001-9637-627X] Laura Sánchez-Calvo [2]
[1] Doctorado
en Ciencias Naturales para el Desarrollo (DOCINADE), Instituto
Tecnológico de Costa Rica, Universidad Nacional, Universidad Estatal a
Distancia, Costa Rica
[2] Instituto
de Investigación y Servicios Forestales (INISEFOR), Universidad
Nacional, Apartado postal 86-3000, Heredia, Costa Rica
[3] Instituto
Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), carretera San José-Tapaste, km
3½, Gaveta Postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32 700
[4] Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ingeniería Forestal (ITCR), Cartago, Costa Rica
[*] Autor para correspondencia: ana.hine.gomez@una.cr
RESUMENLa teca (Tectona grandis
L. f.), es un árbol originario del sureste asiático, considerado de
gran valor económico principalmente por su madera. Como parte de los
esfuerzos por el mejoramiento genético de esta especie, se han
desarrollado protocolos para la crioconservación de polen, sin embargo,
es indispensable asegurar la viabilidad y germinación eficiente del
mismo para futuros cruzamientos de material seleccionado. El objetivo
del presente trabajo fue evaluar el efecto de un análogo espirostánico
de brasinoesteriode (Biobras-16®) y una mezcla de oligogalacturónidos (Pectimorf®) sobre la germinación in vitro,
tamaño del polen y longitud del tubo polínico de polen de teca
crioconservado. Los experimentos consistieron en evaluar la germinación
de polen a 0, 4 y 8 meses de crioconservación, en medio de cultivo sin
suplementos (M1), suplementado con 0,001 y 0,050 mg L-1de Biobras-16® y 5 y 10 mg L-1 de Pectimorf®.
Los datos de germinación fueron analizados mediante un Modelo Lineal
General, mientras que la longitud del tubo polínico y el área del polen
mediante análisis de varianza (ANOVA) y análisis de correlación. Se
demostró que ambos productos bioactivos favorecieron la germinación in vitro de los granos de polen crioconservados durante 4 y 8 meses, donde Biobras-16® a 0,001 mg L-1 mostró resultados más consistentes. Pectimorf® estimuló la elongación del tubo polínico, lo cual podría favorecer los procesos de fecundación.
INTRODUCCIÓNLa teca (Tectona grandis)
es una especie forestal originaria del Sudeste de Asia, cuya madera es
una de las mejor valoradas y más conocidas en el mundo por sus
cualidades intrínsecas, lo cual ha impulsado el desarrollo de programas
de mejoramiento genético para potenciar sus atributos 1,2.
En la primera etapa de dichos programas, se ha seleccionado material
élite, con características comerciales de alto valor, sin embargo, es
necesario avanzar hacia el desarrollo de cruzamientos controlados entre
genotipos para lograr un mayor progreso en la calidad y rendimiento de
esta especie. Tanto para el proceso reproductivo como para el
mejoramiento genético a partir de cruces controlados, es necesario
garantizar la disponibilidad de polen viable, para asegurar el éxito de
las polinizaciones y la eficiencia del mejoramiento. Por ello, es
indispensable conocer la capacidad de germinación del grano de polen y
de esta manera, brindar un estimado de posibles progenitores femeninos y
masculinos 3,4.
Las pruebas de germinación in vitro
permiten determinar la cantidad de polen viable y el crecimiento del
tubo polínico bajo condiciones controladas, ya que el medio de cultivo
se asemeja a la composición del mucílago del estigma 4.
Como parte de esta técnica, en los últimos años se han estudiado las
aplicaciones de sustancias bioactivas que influyen en el crecimiento y
la diferenciación celular de diversas especies vegetales, entre ellas
los brasinoesteriodes (Br) y las oligosacarinas (OG) 5.
Los
brasinoesteroides son hormonas esteroidales de las plantas, que se han
encontrado principalmente en polen, hojas, yemas, flores y semillas, en
proporciones y formas diferentes 6. Estos compuestos han demostrado tener un efecto positivo en la morfogénesis tanto in vitro como ex vitro,
su respuesta depende del tipo y la concentración que se utilice, así
como de su interacción con las hormonas de la planta. Dentro de estas
sustancias el Biobras-16® ha sido ampliamente utilizado, y ha demostrado ser activo a concentraciones extremadamente bajas, generalmente soluciones de 10-2 y 10-4 mg L-1 (7,8.
Los
oligogalacturónidos se generan por hidrólisis enzimática de la pared
celular de plantas y a bajas concentraciones muestran actividad
biológica. Estos compuestos forman parte de las oligosacarinas más
estudiadas, son considerados bioestimulantes por ser moléculas
bioactivas cuya función es mejorar las propiedades fisicoquímicas de las
plantas, los rendimientos y la calidad de los cultivos 9. El principio activo de Pectimorf®
es una mezcla de oligosacáridos pécticos, obtenido a partir de residuos
de la industria citrícola, incluye moléculas señalizadoras importantes
en los procesos fisiológicos de las plantas, relacionados con el
crecimiento y la estimulación de los mecanismos de defensa. Las
concentraciones óptimas del producto para obtener una respuesta
biológica satisfactoria oscilan entre los 10 y 20 mg L-1 (10,11.
El
empleo de sustancias bioactivas como las mencionadas, puede aumentar la
eficiencia germinativa de los granos de polen y con ello, su
fertilidad. El presente estudio se realizó con el objetivo de evaluar el
efecto de dos productos cubanos, Biobras-16® y Pectimorf® sobre la germinación in vitro de polen crioconservado de teca.
MATERIALES Y MÉTODOSSe
seleccionaron árboles establecidos en ensayos clonales de la empresa
Novelteak, Guanacaste, Costa Rica. De las inflorescencias se colectaron
flores sin abrir y se colocaron en bolsas plásticas con cierre hermético
durante una hora, para inducir la apertura de las mismas. Una vez
abiertas las flores y con ayuda de pinzas de disección, se procedió a la
extracción mecánica de las anteras, las cuales se colocaron en
criotubos.
Para la crioconservación, las anteras
con el polen fueron congeladas mediante inmersión directa de los
criotubos en nitrógeno líquido a -196 ºC durante cuatro y ocho meses.
Una vez transcurrido el tiempo de almacenamiento respectivo, las
muestras fueron descongeladas a temperatura ambiente por cinco minutos y
rehidratados en cámara de humedad durante una hora 12.
Los
granos de polen contenidos en 0,1 g de anteras se desprendieron de las
mismas mediante vibración, empleando un vortex y se colocaron en
crioviales de 2,5 mL para la germinación. A cada vial se le añadieron
250 μL de medio de cultivo líquido compuesto por las sales de Brewbaker y
Kwack (BK) diluidas al 10 %: Ca (NO3)2 300 mg L-1, MgSO4 200 mg L-1, H3BO3 100 mg L-1, KNO3 100 mg L-1 (13, así como 10 g L-1 de sacarosa y un pH final de 6,5. Cada tratamiento fue suplementado con las concentraciones de Biobras-16® y Pectimorf®, según se indica en la Tabla 1 y el medio sin suplementar se utilizó como control.
Todos los tratamientos se incubaron durante
dos horas a temperatura ambiente y luego se les añadió 250 µL de
acetocarmín (1 %) como colorante. El porcentaje de germinación se
determinó mediante el cociente del número de granos germinados entre los
totales encontrados en cada campo microscópico, considerando germinados
únicamente los granos con un tubo polínico de longitud mayor o igual al
diámetro del grano de polen. Dichos conteos se realizaron empleando
muestras de 100 granos de polen por campo óptico, en un microscopio
Nikon ALPHAPHOT-2 YS2 (10x).
Las mediciones correspondientes al área del grano de polen (mm2)
y longitud del tubo polínico (µm) en muestras de polen frescas, se
realizaron empleando un microscopio Nikon eclipse 80i con aumento 20x,
acoplado a una cámara fotográfica con visualización en la computadora a
través del programa Nikon Ds-Fi-L2.
En cuanto al
diseño experimental para la variable germinación del polen, se realizó
un diseño completamente aleatorizado, con un arreglo factorial: medio de
cultivo (con cinco niveles) y tiempo de crioconservación (con tres
niveles). Por su parte, para las variables área del grano de polen y
longitud del tubo polínico, se realizó un diseño completo al azar. En
todos los tratamientos se realizaron tres repeticiones y cinco lecturas
por repetición.
Para el análisis estadístico, se
comprobó el cumplimiento de los supuestos estadísticos para pruebas
paramétricas y se evaluó la germinación mediante un Modelo Lineal
General, con el fin de calcular el efecto de cada factor y la
interacción de ambos. Los datos correspondientes al área del grano de
polen y longitud de tubo polínico se sometieron a un análisis de
varianza (ANOVA) con comparaciones múltiples de Tukey, y a un análisis
de correlación lineal mediante el cálculo del coeficiente de Pearson.
Todas las pruebas estadísticas se realizaron con 95 % de confianza y
mediante el programa estadístico Minab 19®.
RESULTADOS Y DISCUSIÓNCon
el análisis de los datos mediante el Modelo Lineal General, se
evidenció con un 95 % de confianza, que tanto el medio de cultivo como
el tiempo de crioconservación y la interacción entre ambos factores,
ejercieron un efecto significativo sobre la germinación del polen de
teca, todos con un valor de p=0,000.
El
tratamiento control (M1) evidenció disminución de la germinación del
polen a los cuatro meses de crioconservación, la cual se mantuvo a los
ocho meses. El tratamiento con Pectimorf® no mostró un efecto
favorable para la germinación del polen crioconservado, de acuerdo con
el comportamiento de los tratamientos M4 y M5 (Figura 1).
La
disminución de germinación en polen crioconservado pudo deberse al
genotipo, a la calidad del polen y a la cantidad de reservas de
nutrientes del mismo, propiciadas por las condiciones ambientales donde
se produjo el material genético utilizado en la investigación 14.
Además, se conoce que la crioconservación puede provocar acumulación de
especies reactivas de oxígeno y estrés por baja temperatura, éste
último crea una desorganización del metabolismo de la planta,
ocasionando alteraciones en la estabilidad de las proteínas, reacciones
enzimáticas y actividad respiratoria de las células 15,16.
Por el contrario, el medio con brasinoesteroide a 0,001 mg L-1 (M2) favoreció la germinación de polen crioconservado durante cuatro y ocho meses, mientras que la concentración de 0,05 mg L-1
de este compuesto mostró un efecto positivo en la germinación a los
cuatro meses. Estos resultados coinciden con publicaciones recientes que
informan el uso de los brasinoesteroides como promotores de
crecimiento, reductores del daño oxidativo causado por factores
abióticos y promotores de la germinación de polen de diversas especies 7,10,15.
Efecto de Biobras-16® y Pectimorf® sobre la germinación de polen de teca crioconservado durante 0, 4, 8 meses
Letras diferentes indican diferencias estadísticas significativas (Tukey, P≤0,05). M1: Sin suplementos, M2: 0,001 mg L-1 Biobras-16®, M3: 0,050 mg L-1 Biobras-16®, M4: 5 mg L-1 Pectimorf®, M5: 10 mg L-1 Pectimorf®
Al evaluar la germinación de polen sin
crioconservar (0 meses), existieron diferencias significativas entre los
tratamientos; aquellos suplementados con Pectimorf® (M4 y M5) no difirieron del control (M1), mientras que los tratamientos con Biobras-16®
(M2 y M3) disminuyeron la germinación en este momento con respecto al
control, mostrando este último un porcentaje de germinación superior
(33,5 %). Esto indica que, en polen fresco, los productos evaluados no
lograron un efecto positivo en la germinación.
En
el caso del polen conservado en nitrógeno líquido durante cuatro meses,
se observó un efecto estimulador del brasinoesteroide en ambas
concentraciones evaluadas, las cuales presentaron diferencias
significativas con el resto de los tratamientos. Las muestras tratadas
con Pectimorf® no se diferenciaron del control.
Al transcurrir los ocho meses de conservación, la menor concentración (0,001 mg L-1)
de brasinoesteroide evidenció un mayor estímulo en la germinación de
los granos de polen de teca, con resultados superiores al resto de los
tratamientos, seguido por el tratamiento donde se aplicó 5 mg L-1 de Pectimorf (Figura 1).
Estos resultados demuestran el efecto promotor del Biobras-16®
al ser aplicado exógenamente, lo cual coincide con otras
investigaciones que señalan su actividad anti estrés a concentraciones
entre 0,1 y 0,001 mg L
-1 (7,8)
. Dicho efecto pudo ser el responsable de mejorar el porcentaje
de germinación con los tratamientos criocongelados (cuatro y ocho
meses). Por otro lado, se menciona que los brasinoesteroides afectan
positivamente la fertilización, modificando las propiedades del polen a
través de la estimulación de su crecimiento y de los tubos polínicos. Lo
anterior ha sido atribuido a su acción sobre la división y elongación
celular 7. En estudios realizados en la germinación in vitro de polen de Oryza sativa L., 17 y en polen de Arabidopsis thaliana18, se demostró que al aplicar 24-epibrasinólida se mejoró la germinación in vitro de granos de polen cuando estos fueron sometidos a condiciones de estrés por calor.
Adicionalmente,
se constató que ni el brasinoesteroide ni la concentración más alta de
oligogalacturónidos tuvieron efecto significativo en el área del grano
de polen, sin embargo, la concentración de 5 mg L-1 de Pectimorf® (M4) afectó negativamente esta variable (Tabla 2).
En
cuanto a la longitud del tubo polínico de los granos de polen fresco,
se evidenció que existen diferencias significativas entre algunos
tratamientos (p=0,002). Para esta variable el medio suplementado con 5
mg L-1 Pectimorf® (M4); mostró una mayor elongación del tubo polínico (397±76), aunque no se diferenció de la menor concentración de Biobras-16®, ni de la mayor de Pectimorf®. Los tratamientos enriquecidos con brasinoesteroides (M2 y M3) y con 10mg L-1 de Pectimorf® (M5), no evidenciaron diferencias significativas para esta variable respecto al control (Tabla 2, Figura 2).
Imágenes que muestran el efecto de Biobras-16® y Pectimorf®
en la longitud del tubo polínico de granos de polen de teca frescos. Se
señalan los tubos polínicos en los tratamientos que alcanzaron mayor
longitud
A: Sin suplementos, B: 0,001 mg L-1 Biobras-16®, C: 0,050 mg L-1 Biobras-16®, D: 5 mg L-1 Pectimorf®, E: 10 mg L-1 Pectimorf®
Los resultados obtenidos concuerdan con trabajos de germinación in vitro de granos de polen de Solanum tuberosum, en los cuales Pectimorf® favoreció notablemente el crecimiento de los tubos polínicos en concentración de 5 mg L-1,
notándose una dependencia del genotipo y las concentraciones del
producto en la respuesta del material vegetal. Cabe destacar que este
compuesto es conocido por su efecto como sustituto de reguladores de
crecimiento tradicionales como auxinas y citoquininas, en cultivo in vitro en diferentes etapas y especies 19.
Se
conoce que el tubo polínico está compuesto por una célula de rápido
crecimiento que requiere una deposición masiva de la pared celular para
promover su alargamiento rápido. La pared interna del tubo de polen es
abundante en calosa y contiene baja cantidad de celulosa, mientras que
la capa externa está formada principalmente por pectinas, que al
desesterificarse y entrecruzarse mediante Ca2+, aportan rigidez a la pared celular especialmente en la parte posterior del tubo 20.
Debido a esto, cabe mencionar que investigaciones realizadas en Arabidopsis thaliana
han demostrado que los oligogalacturónidos incrementan la fosforilación
de fosfoproteínas como la miosina 17 y la proteína de unión a cationes
asociada a la membrana plasmática (PCaP1) 21. Esto podría explicar el efecto positivo del Pectimorf®
en la elongación del tubo polínico de teca, ya que la miosina estimula
el tráfico a través de la actina de vesículas portadoras de componentes
para la síntesis de nueva membrana y pared celular no celulósica hacia
la zona apical de crecimiento. Adicionalmente, la PcaP1 es capaz de unir
actina y calcio, lo cual provoca la desestabilización de los filamentos
de actina. El mantenimiento del gradiente de iones calcio en el citosol
permite el crecimiento polarizado del tubo polínico, por lo cual es
importante la regulación de la entrada de dichos iones a través de la
membrana plasmática 21,22.
A
pesar de múltiples informes que indican que los brasinoesteroides
promueven el crecimiento del tubo polínico al favorecer la elongación y
división celular; en polen de teca fresco no se evidenció este efecto
positivo. Esto pudo deberse a que la respuesta de las especies vegetales
depende del tipo y concentración del brasinoesteroide empleado, así
como a la interacción de factores genéticos, químicos y ambientales, ya
que el desarrollo del tubo polínico es muy sensible a factores de estrés
15.
Al realizar
el análisis de correlación entre el tamaño del polen y la elongación del
tubo polínico, se encontró que no existe correlación lineal entre las
variables para el empleo de Biobras-16®, donde el análisis mostró aleatoriedad al evaluar su efecto, en el cual se obtuvo un coeficiente de Pearson de 0,097 (Figura 3A). Al analizar el efecto de Pectimorf®,
se obtuvo un coeficiente de Pearson de -0,441, por lo que se pudo
afirmar la existencia de correlación negativa entre las dos variables
para este producto (Figura 3B).
Análisis de correlación entre las variables área del grano de polen y longitud de tubo polínico
La existencia de una correlación negativa
entre las variables área del grano de polen y longitud de tubo polínico
en los tratamientos suplementados con Pectimorf®, sugiere una
tendencia a que los granos de polen de menor tamaño tengan mayor
habilidad de crecer sobre el pistilo y la posibilidad de ser más
efectivos en la fecundación del estigma 19.
Este comportamiento responde posiblemente a que los oligogalacturónidos
son mensajeros químicos que realizan funciones similares a las auxinas,
modulan las enzimas que intervienen en procesos específicos en planta,
tales como morfogénesis, germinación y crecimiento 11.
Al iniciarse la germinación del polen, se presenta un desplazamiento
del citoplasma hacia la región apical de elongación y conforme el tubo
polínico se elonga, se van depositando calosa y vesículas
transportadoras en dicha región atendiendo al crecimiento polarizado que
lo caracteriza 23,24. Estos resultados coinciden con las tendencias observadas en la germinación in vitro de polen de berenjena (Solanum melongena) sin suplementos bioactivos 25.
CONCLUSIONES
Las sustancias bioactivas evaluadas no favorecen la germinación de polen de teca fresco, pero Biobras-16®, en concentración de 0,001 mg L-1, estimula la germinación del polen de teca crioconservado durante cuatro y ocho meses.
Pectimorf® favorece el crecimiento del tubo polínico de muestras frescas de polen de teca, principalmente en la concentración de 5 mg L-1.
Se
evidenció una correlación negativa para la longitud del tubo polínico y
el área del polen al suplementar el medio de cultivo de germinación con
este producto.
RECOMENDACIONES
Se
recomienda evaluar la viabilidad del polen en períodos de tiempo
mayores de crioconservación y utilizar concentraciones diferentes de
estos compuestos bioactivos para realizar modelos predictivos.
Además,
es recomendable analizar las variables longitud de tubo polínico y área
de polen con mayor cantidad de muestras para determinar con mayor
exactitud correlaciones entre estos factores, así como estudiar dichas
variables en polen crioconservado.
INTRODUCTIONTeak (Tectona grandis)
is a forest species native to Southeast Asia, whose wood is one of the
best valued and best known in the world for its intrinsic qualities,
which has prompted the development of genetic improvement programs to
enhance its attributes 1,2.
In the first stage of these programs, elite material has been selected,
with high value commercial characteristics; however, it is necessary to
advance towards the development of controlled crosses between genotypes
to achieve greater progress in the quality and performance of this
species. Both for the reproductive process and for genetic improvement
from controlled crosses, it is necessary to guarantee the availability
of viable pollen, to ensure the success of pollinations and the
efficiency of improvement. Therefore, it is essential to know the
germination capacity of the pollen grain and in this way, provide an
estimate of possible female and male parents 3,4.
In vitro
germination tests allow determining the amount of viable pollen and the
growth of the pollen tube under controlled conditions, since the
culture medium resembles the composition of the mucilage of the stigma 4.
As part of this technique, in recent years the applications of
bioactive substances that influence the growth and cell differentiation
of various plant species have been studied, including brassinosteriodes
(Br) and oligosaccharins (OG) 5.
Brassinosteroids
are plant steroidal hormones, which have been found mainly in pollen,
leaves, buds, flowers and seeds, in different proportions and forms 6. These compounds have been shown to have a positive effect on morphogenesis both in vitro and ex vitro,
their response depends on the type and concentration used, as well as
its interaction with plant hormones. Among these substances, Biobras-16® has been widely used, and has proven to be active at extremely low concentrations, generally solutions of 10-2 and 10-4 mg L-1 (7,8.
Oligogalacturonides
are by enzymatic hydrolysis generated of the plant cell wall and at low
concentrations, they show biological activity. These compounds are part
of the most studied oligosaccharins; they are biostimulants considered
because they are bioactive molecules whose function is to improve the
physicochemical properties of plants, the yields and the quality of
crops 9. The active ingredient in Pectimorf®
is a mixture of pectic oligosaccharides, obtained from residues of the
citrus industry; it includes important signaling molecules in the
physiological processes of plants, related to growth and the stimulation
of defense mechanisms. The optimal concentrations of the product to
obtain a satisfactory biological response range between 10 and 20 mg L-1 (10,11.
The
use of bioactive substances such as those mentioned can increase the
germination efficiency of pollen grains and thus their fertility. The
present study was with the objective of evaluating the effect of two
Cuban products carried out, Biobras-16® and Pectimorf® on the in vitro germination of cryopreserved teak pollen.
MATERIALS AND METHODSTrees
established in clonal trials of the Novelteak Company, Guanacaste,
Costa Rica were selected. Unopened flowers were collected from the
inflorescences and they were placed in hermetically sealed plastic bags
for one hour, to induce their opening. Once the flowers had been opened
and with the help of dissection forceps, the anthers were mechanically
extracted, which were placed in cryotubes.
For
cryopreservation, the anthers with the pollen were frozen by direct
immersion of the cryotubes in liquid nitrogen at -196 ºC for four and
eight months. Once the respective storage time had elapsed, the samples
were thawed at room temperature for five minutes and rehydrated in a
humidity chamber for one hour 12.
The
pollen grains contained in 0.1 g of anthers were detached from them by
vibration, using a vortex, and placed in 2.5 mL cryovials for
germination. 250 μL of liquid culture medium composed of Brewbaker and
Kwack salts (BK) diluted to 10 % were added to each vial: Ca (NO3)2 300 mg L-1, MgSO4 200 mg L-1, H3BO3 100 mg L-1, KNO3 100 mg L-1 (13, as well as 10 g L-1 of sucrose and a final pH of 6.5. Each treatment was supplemented with the concentrations of Biobras-16® and Pectimorf®, as indicated in Table 1 and the non-supplemented medium was used as control.
All treatments were for two hours at room
temperature incubated and then 250 µL of acetocarmine (1 %) was as a dye
added. The germination percentage was determined by the quotient of the
number of germinated grains among the totals found in each microscopic
field, considering germinated only grains with a pollen tube of length
greater than or equal to the diameter of the pollen grain. Said counts
were made using samples of 100 pollen grains per optical field, in a
Nikon ALPHAPHOT-2 YS2 microscope (10x).
The measurements corresponding to the area of the pollen grain (mm2)
and length of the pollen tube (µm) in fresh pollen samples were carried
out using a Nikon eclipse 80i microscope with 20x magnification,
coupled to a photographic camera with computer visualization through of
the Nikon Ds-Fi-L2 program.
Regarding the
experimental design for the pollen germination variable, a completely
randomized design was carried out, with a factorial arrangement: culture
medium (with five levels) and cryopreservation time (with three
levels). On the other hand, for the variables area of the pollen grain
and length of the pollen tube, a complete random design was carried out.
Three repetitions and five readings per repetition were carried out in
all treatments.
For statistical analysis,
compliance with the statistical assumptions for parametric tests was
verified and germination was evaluated using a General Linear Model, in
order to calculate the effect of each factor and the interaction of
both. The data corresponding to the area of the pollen grain and the
length of the pollen tube were subjected to an analysis of variance
(ANOVA) with multiple Tukey comparisons and to a linear correlation
analysis by calculating the Pearson coefficient. All statistical tests
were performed with 95 % confidence and using the Minab 19® statistical program.
RESULTADOS Y DISCUSIÓNWith
the analysis of the data using the General Linear Model, it was shown
with 95 % confidence that both the culture medium and the
cryopreservation time and the interaction between both factors exerted a
significant effect on the germination of teak pollen, all with a value
of p = 0.000.
The control treatment (M1) showed a
decrease in pollen germination at four months of cryopreservation,
which was maintained at eight months. The treatment with Pectimorf®
did not show a favorable effect for the germination of cryopreserved
pollen, according to the behavior of treatments M4 and M5 (Figure 1).
The
decrease in germination in cryopreserved pollen could be due to the
genotype, the quality of the pollen and the amount of its nutrient
reserves, caused by the environmental conditions where the genetic
material used in the research was produced 14.
In addition, it is known that cryopreservation can cause accumulation
of reactive oxygen species and low temperature stress, the latter
creating a disorganization of the plant's metabolism, causing
alterations in the stability of proteins, enzymatic reactions and
respiratory activity of cells 15,16.
On the contrary, the medium with brassinosteroid at 0.001 mg L-1 (M2) favored the germination of cryopreserved pollen for four and eight months, while the concentration of 0.05 mg L-1
of this compound showed a positive effect on the germination at four
months. These results coincide with recent publications that report the
use of brassinosteroids as growth promoters, reducers of oxidative
damage caused by abiotic factors, and promoters of pollen germination of
various species 7,10,15.
Effect of Biobras-16® and Pectimorf® on the germination of teak pollen cryopreserved for 0, 4, 8 months
Different letters indicate statistically significant differences (Tukey, P≤0.05). M1: Without supplements, M2: 0.001 mg L-1 Biobras-16®, M3: 0.050 mg L-1 Biobras-16®, M4: 5 mg L-1 Pectimorf®, M5: 10 mg L-1 Pectimorf®
When evaluating the germination of pollen
without cryopreservation (0 months), there were significant differences
between the treatments; those supplemented with Pectimorf® (M4 and M5) did not differ from the control (M1), while the treatments with Biobras-16®
(M2 and M3) decreased germination at this time with respect to the
control, the latter showing a germination percentage higher (33.5 %).
This indicates that, in fresh pollen, the evaluated products did not
achieve a positive effect on germination.
In the
case of pollen conserved in liquid nitrogen for four months, a
stimulatory effect of the brassinosteroid was observed in both
concentrations evaluated, which presented significant differences with
the rest of the treatments. The samples treated with Pectimorf® did not differ from the control.
After eight months of conservation, the lower concentration (0.001 mg L-1)
of brassinosteroid showed a greater stimulus in the germination of teak
pollen grains, with results superior to the rest of the treatments,
followed by the treatment where the applied 5 mg L-1 of Pectimorf® (Figure 1).
These results demonstrate the promoting effect of Biobras-16®
when applied exogenously, which coincides with other investigations
that indicate its anti-stress activity at concentrations between 0.1 and
0.001 mg L-1 (7,8.
This effect could be responsible for improving the germination
percentage with the cryo-frozen treatments (four and eight months). On
the other hand, it is mentioned that brassinosteroids positively affect
fertilization, modifying the properties of pollen through the
stimulation of its growth and pollen tubes. This has been attributed to
its action on cell division and elongation 7. In studies carried out on the in vitro germination of pollen from Oryza sativa L 17) and on pollen from Arabidopsis thaliana18, the applying of 24-epibrasinolide improved the in vitro germination of pollen grains when they were subjected to heat stress conditions was shown.
Additionally,
neither the brassinosteroid nor the highest concentration of
oligogalacturonides had a significant effect on the area of the pollen
grain was found; however, the concentration of 5 mg L-1 of Pectimorf® (M4) negatively affected this variable (Table 2).
Regarding
to the pollen tube length of fresh pollen grains, it was evidenced that
there are significant differences between some treatments (p=0.002).
For this variable, the medium supplemented with 5 mg L-1 Pectimorf®
(M4); showed greater elongation of the pollen tube (397±76), although
it did not differ from the lower concentration of Biobras-16®, nor from the higher concentration of Pectimorf®. The treatments enriched with brassinosteroids (M2 and M3) and with 10mg L-1 of Pectimorf® (M5), did not show significant differences for this variable with respect to the control (Table 2, Figure 2).
Images showing the effect of Biobras-16® and Pectimorf®
on the pollen tube length of fresh teak pollen grains. The pollen tubes
in the treatments that reached the greatest length are indicated
A: Without supplements, B: 0.001 mg L-1 Biobras-16®, C: 0.050 mg L-1 Biobras-16®, D: 5 mg L-1 Pectimorf®, E: 10 mg L-1 Pectimorf®
The results obtained agree with in vitro germination studies of pollen grains of Solanum tuberosum, in which Pectimorf® notably favored the growth of pollen tubes at a concentration of 5 mg L-1,
noting a dependence on the genotype and the concentrations of the
product in the response of plant material. It should be noted that this
compound is known for its effect as a substitute for traditional growth
regulators such as auxins and cytokinins, in in vitro culture at different stages and species 19.
The
pollen tube is known to be composed of a rapidly growing cell that
requires a massive deposition of the cell wall to promote its rapid
elongation. The inner wall of the pollen tube is abundant in callose and
contains a low amount of cellulose, while the outer layer is made
mainly of pectins up, which, when deesterified and cross-linked by Ca2
+, provide rigidity to the cell wall, especially in the back of the tube 20
Due to this, it is worth mentioning that research carried out in Arabidopsis thaliana
has shown that oligogalacturonides increase phosphorylation of
phosphoproteins such as myosin 17 and the plasma membrane-associated
cation-binding protein (PCaP1) 21. This could explain the positive effect of Pectimorf®
on the elongation of the teak pollen tube, since myosin stimulates
trafficking through actin of component-bearing vesicles for the
synthesis of a new membrane and non-cellulosic cell wall towards the
apical zone growth. Additionally, PcaP1 is capable of binding actin and
calcium, which causes destabilization of actin filaments. The
maintenance of the gradient of calcium ions in the cytosol allows the
polarized growth of the pollen tube, for which the regulation of the
entry of these ions through the plasma membrane is important 21,22.
Despite
multiple reports that indicate that, brassinosteroids promote pollen
tube growth by promoting cell elongation and division; this positive
effect was not evidenced in fresh teak pollen. This could be because the
response of plant species depends on the type and concentration of the
brassinosteroid used, as well as the interaction of genetic, chemical
and environmental factors, since the development of the pollen tube is
very sensitive to stress factors 15.
When
performing the correlation analysis between pollen size and elongation
of the pollen tube, it was found that there is no linear correlation
between the variables for the use of Biobras-16®, where the analysis showed randomness when evaluating its effect, in which a Pearson coefficient of 0.097 was obtained (Figure 3A). When analyzing the effect of Pectimorf®,
a Pearson coefficient of -0.441 was obtained, so it was possible to
affirm the existence of a negative correlation between the two variables
for this product (Figure 3B).
Correlation analysis between the variables pollen grain area and length of pollen tube
A) Treatments supplemented with Biobras-16®, B) Treatments supplemented with Pectimorf®
The existence of a negative correlation
between the variables pollen grain area and pollen tube length in the
treatments supplemented with Pectimorf®, suggests a tendency
for smaller pollen grains to have a greater ability to grow on the
pistil and the possibility to be more effective in fertilizing stigma 19.
This behavior possibly responds to the fact that oligogalacturonides
are chemical messengers that perform functions similar to auxins,
modulate the enzymes involved in specific processes in the plant, such
as morphogenesis, germination and growth 11.
When pollen germination begins, there is a displacement of the
cytoplasm towards the apical region of elongation and as the pollen tube
elongates, callose and transporter vesicles are deposited in said
region, attending to the polarized growth that characterizes it 23,24. These results coincide with the trends observed in the in vitro germination of eggplant (Solanum melongena) pollen without bioactive supplements 25.
CONCLUSIONS
The bioactive substances evaluated do not favor the germination of fresh teak pollen, but Biobras-16®, in a concentration of 0.001 mg L-1, stimulates the germination of cryopreserved teak pollen for four and eight months. Pectimorf® favors the growth of the pollen tube of fresh samples of teak pollen, mainly in the concentration of 5 mg L-1.
A
negative correlation was evidenced for the length of the pollen tube
and the pollen area when supplementing the germination culture medium
with this product.
RECOMMENDATIONS
It
is recommended to evaluate the viability of pollen in longer periods of
cryopreservation and to use different concentrations of these bioactive
compounds to carry out predictive models.
In
addition, it is advisable to analyze the variables pollen tube length
and pollen area with the largest number of samples to determine more
accurately correlations between these factors, as well as to study these
variables in cryopreserved pollen.