El frijol Phaseolus vulgaris L. es una de las leguminosas que posee un lugar preferencial, por su composición nutricional al ser una fuente rica en proteínas y minerales ^1,2. Es una leguminosa anual, intensamente cultivada desde los trópicos hasta las zonas templadas ^3,4. Ocupa más del 80 % de la superficie sembrada anualmente en el mundo, con 15 millones de hectáreas aproximadamente ⁵.

En Cuba esta leguminosa constituye un plato fundamental en la dieta de los pobladores, donde de conjunto con el arroz (Oryza sativa L.) forma parte de la alimentación básica. Sin embargo, el país ha estado importando más de 60 mil toneladas del grano por año, para poder satisfacer la demanda del mercado ^6,7. Es por ello que se siguen estrategias para aumentar el rendimiento y reducir las importaciones, para lo cual se han destinado grandes extensiones de áreas, tanto en el sector estatal, como en fincas de agricultores. También se fortalece la implementación de acciones, tales como: promover el mejoramiento genético de cultivares; la producción de semillas y el logro de una correcta fitotecnia, con énfasis en lograr una adecuada germinación y garantizar la densidad de plantas que establece el instructivo del cultivo. Sin embargo, la respuesta de cultivares de frijol a condiciones ambientales diferentes, producto a la gran variabilidad del clima, resulta, en la actualidad, un elemento de vital importancia para lograr una elevada productividad ante los efectos del cambio climático ⁸. Por tanto, para alcanzar rendimientos estables en el tiempo o bien incrementarlos, es necesario analizar cuáles son los principales factores que contribuyen a determinar el rendimiento final, conocer la influencia de estos y realizar un manejo adecuado de los mismos. Esto está dado porque el frijol requiere de temperaturas relativamente bajas para su normal desarrollo y, cuando estas son elevadas, la germinación, la morfología y el crecimiento de las plantas se ven afectados, limitándose en última instancia su productividad. Por esta causa, en Cuba, su cultivo generalmente esté limitado a un corto período de tiempo. Además, a pesar de existir aproximadamente 21 cultivares registrados en el país, es insuficiente la información de la respuesta de estos ante los efectos de la variabilidad climática ⁹. Es evidente que la temperatura es uno de los factores ambientales más importante durante el desarrollo de las plantas de frijol y el que más lo está afectando producto a la incidencia del cambio climático. Es por ello, que deben encaminarse las investigaciones, con el fin de lograr identificar los cultivares de frijol más adaptados a la variabilidad climática existente, sobre todo al aumento de la temperatura.

De las fases y etapas del cultivo, el proceso de germinación se considera como uno de los más afectados por la temperatura debido a su efecto en la actividad de las enzimas reguladoras de la velocidad de las reacciones bioquímicas que ocurren en la semilla tras su rehidratación ¹⁰. En la actualidad existe poca información del efecto de la temperatura sobre la germinación de cultivares de frijol obtenidos en el país y se requiere de una comprensión precisa de la dinámica de la germinación a diferentes temperaturas para asegurar un número de plántulas en la práctica productiva; además, este experimento es importante para impulsar programas en el mejoramiento de los cultivares, en función de la adaptación al clima en el sector agrícola. Por lo antes señalado, es que se realizó este trabajo, con el objetivo de evaluar la influencia de las temperaturas en la germinación de cuatro cultivares de frijol.

Los experimentos se desarrollaron en la Unidad Científico Tecnológica de Base Los Palacios (UCTB-LP), perteneciente al Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA); situada en la llanura sur de la provincia de Pinar del Río, a los 22°44’ de latitud Norte y a los 83°45’ de latitud Oeste, a 60 m s.n.m, con pendiente aproximada de 1 %, según Atlas de Cuba ³. Se analizaron semillas de Phaseolus vulgaris L. (frijol) de cuatro cultivares, Cubana 23 (color negro), Chévere (color blanco), Buena Ventura (color rojo), La Cuba 154 (color crema) (Tabla 1) ⁹. Estas fueron suministradas por el grupo de semillas del INCA. Para la selección de los mismos se tuvieron en cuenta la disponibilidad de semillas, el área sembrada al menos en las provincias occidentales, color del grano y hábito de crecimiento.

Una vez cosechado el cultivo y con el propósito de bajar su humedad hasta 10 % para evitar su deterioro, las vainas se secaron en una estufa con aire forzado a 40 °C durante 48 horas y posteriormente fueron descascaradas. La semilla obtenida se colocó sobre tamices con orificios circulares y aquella que quedó retenida entre los tamices de 0,7 a 1,6 cm de largo que fue empleada en la experimentación. Este calibre correspondía al tercio medio de los distintos tamaños de semillas obtenidas en cada cultivar y fue el más representativo de cada uno. Antes de ser sometida a las pruebas de germinación.

En el experimento, las temperaturas de germinación consideradas en cada ensayo fueron 20, 30 y 40 ºC. La unidad experimental correspondió a las placas de Petri de vidrio de 140 mm de diámetro y 20 mm de alto, con dos capas de papel de filtro humedecido con agua destilada sobre el fondo de las placas y 30 semillas en su interior. Se establecieron cuatro repeticiones por tratamiento. Una vez colocadas las semillas en las placas, estas se ubicaron en una cámara de germinación modelo RTOP-310D regulada a la temperatura respectiva (20, 30, 40 ^oC). El diseño experimental utilizado en todos los casos fue completamente aleatorizado, cada ensayo (temperaturas 20, 30, 40 ^oC) fue evaluado individualmente y fue repetido dos veces, se trabajó con las medias de dichas repeticiones.

Se contaron las semillas germinadas desde su establecimiento hasta la estabilización, con los datos obtenidos se determinó:

A los datos de cada variable evaluada se le comprobaron los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianza (Test Bartlett´s y Kolmogorov-Smirnov, respectivamente). Los resultados (PG, IM) fueron sometidos a un análisis de varianza (ANOVA) con un nivel de confianza del 99 %. La comparación de las medias se efectuó mediante la Prueba de Rangos Múltiples de Duncan (P>0,01) ¹³. Para ello se utilizó el Programa STATGAPHICS Centurión sobre Windows, versión XV ¹⁴. Con los valores de semillas germinadas por día se elaboraron gráficos de la dinámica de germinación de cada cultivar en las diferentes temperaturas estudiadas.

Los porcentajes finales de germinación aparecen en la Tabla 2, todos los cultivares presentaron diferencias significativas en el rango de 20 a 40 ºC de temperaturas. Los valores más elevados se apreciaron a 20 ºC, mientras que los más bajos se observan a 40 ºC. Sin embargo, los cultivares Cubana 23 y Buena Ventura fueron más afectados al someter sus semillas a temperaturas de 30 ºC , puesto que solo germinaron a esta temperatura el 34 y el 47 % de las semillas, mientras que La Cuba 154 y Chévere presentaron valores de 82 y 73 %, respectivamente.

Los resultados de La Cuba 154 y Chévere a 30 ºC deberían ser tenidos en cuenta para la planificación de las siembras del cultivo en Cuba en fechas tardías (después de marzo) y también como progenitores en los programas de mejoramiento genético del cultivo del frijol para resistencias a estrés abióticos sobre todo para altas temperaturas.

La influencia de la temperatura en el porcentaje de germinación de semillas de cultivos de interés agrícola ha sido informada por varios autores, los que destacan que el porcentaje de emergencia de las semillas garantiza el 50 % del éxito de la producción y puntualizan que la germinación solo ocurre apropiadamente dentro de un determinado rango de temperatura ^15,16. En estudios realizados en el cultivo del maní (Arachis hypogaea L), se demostró en todos los genotipos estudiados que la germinación se incrementó con el ascenso de la temperatura por encima de 14 ºC. Para el rango comprendido entre 16 y 32 ºC se obtuvieron porcentajes germinativos que cumplen la norma de comercialización de semilla corriente para maní (˃80 %); siendo en todos los genotipos iguales o superiores al 90 % ¹⁷.

Hay que destacar que en los resultados del presente estudio existe una respuesta diferencial y particular de los cultivares a la temperatura de germinación y hay variación en los porcentajes finales de germinación.

En cuanto a la dinámica de germinación, existen diferencias entre el tiempo necesario para el proceso de germinación a las diferentes temperaturas a las que fueron expuestas las semillas de los cultivares en estudio (Figura 1). El cultivar Cubana 23, muestra un adelanto en el inicio de la germinación de las semillas a 30 ºC en unas 24 horas aproximadamente, con respecto a las temperaturas de 20 y 40 ºC que iniciaron su germinación a las 50 horas. Sin embargo, el comportamiento del resto de los cultivares en las distintas temperaturas fue diferente al de Cubana 23, ya que iniciaron el proceso a las 50 horas aproximadamente.

A la temperatura de 20 ºC, a pesar de no afectarse el porcentaje de germinación para los cultivares (Cubana 23, Buena Ventura, La Cuba 154, Chévere) (Tabla 1); se observa en la Figura 1 que la dinámica de germinación se encuentra modificada. Es posible apreciar un retraso en el proceso de la germinación y se destaca un prolongado período de tiempo de aproximadamente 150 y 200 horas, necesario para que culminara el proceso de germinación de las semillas. Un comportamiento similar se aprecia a 40 ºC aunque para esta temperatura solo se observa un período prolongado de tiempo de aproximadamente 100 a 150 horas, necesario para que culmine el proceso de germinación de las semillas. Para este caso esto puede estar relacionado con el bajo porcentaje de germinación de la semilla a esta temperatura (Tabla 2).

El comportamiento del cultivar Cubana 23 que adelantó el inicio de la germinación de las semillas en 24 horas a temperatura de 30 ºC podría tenerse en cuenta para posteriores estudios en búsqueda de cultivares a las altas temperaturas y para la selección de progenitores en el programa de mejora genética del frijol, buscando tolerancia a estrés abiótico.

En estudios con semillas de maíz (Zea mays L.) se informó que al aumentar la temperatura a 45 ºC, se incrementó el tiempo medio de la germinación ¹⁸; sin embargo, en semillas de tomate (Lycopersicon esculentum Mill), a pesar de no afectarse la germinación entre 15 y 25 ºC para los cultivares estudiados, se observó que la dinámica de germinación resultó modificada por las temperaturas y se adelantó el momento de obtención de la velocidad máxima de germinación, a medida que aumentaron las mismas. Se destaca que a 35 ºC; en los cultivares donde lograron germinar las semillas, el tiempo de germinación se prolongó a 144 horas aproximadamente ¹⁹.

El índice de Maguire (Figura 2), que es una variable que pondera la germinación acumulada con el tiempo, logró diferenciar el efecto de la temperatura con el proceso de germinación de los diferentes cultivares. Se aprecia en la figura que existen diferencias significativas entre las diferentes temperaturas para cada cultivar.

También se observó que los mayores valores de este índice se alcanzaron con temperaturas de 20 ºC para todos los cultivares en estudio. Sin embargo, a 30 y 40 ºC tuvieron un índice más bajo. A pesar de esto se puede precisar que a 30 ºC se observan los cultivares Cubana 23 y Buena Ventura con un mejor comportamiento que los restantes cultivares en estudios. En las condiciones climáticas de Cuba, resulta de mucho interés la problemática que existe en cuanto la disminución de la germinación a temperaturas por encima de 30 ºC, existen estudios donde se utilizan los índices de germinación de semillas para la selección temprana de genotipos tolerantes a determinado estrés ^16,20.

Aspectos señalados por algunos autores, informan que la pobre germinación de las semillas a altas temperaturas, está relacionada con la síntesis de proteínas en el embrión de las semillas, lo cual influye en su velocidad de germinación. Al respecto se informa, que en la semilla ocurren varios procesos que dependen únicamente de las reservas, el ácido giberélico del embrión actúa sobre la capa de aleurona, donde se activa la enzima amilasa que inicia la degradación de sustancias de reserva contenidas en el endospermo y el cotiledón. De la digestión de tejidos de reserva son liberados diversos compuestos para ser reutilizados en múltiples procesos de síntesis. Moléculas complejas como son: celulosas, hemicelulosas, almidones, amilopectinas, lípidos, ligninas, proteínas, ácidos nucleicos, vitaminas y hormonas, son degradadas a moléculas simples por enzimas específicas ^11,21.

Otros autores destacan el papel del pericarpio en la termo inhibición de las semillas, señalan además, que en parte esto está dado por la presencia de inhibidores en el tejido o también por el hecho de que en presencia de altas temperaturas los requerimientos de oxígeno resultan relativamente altos, lo que no permite que el pericarpio mantenga estas demandas ²².

Para la mayoría de los casos, la velocidad de germinación se incrementa al aumentar la temperatura; aunque también temperaturas muy altas tienden a disminuirla, en ese rango es posible encontrar la temperatura óptima de germinación. Con temperaturas sobre 32 ºC puede disminuir el índice de velocidad germinativo de las semillas. Sin embargo, independientemente del genotipo, el aumento de la temperatura hasta 38 ºC disminuye significativamente la velocidad de germinación ^22,23. El efecto negativo de las altas temperaturas en la velocidad de germinación también fue expuesto por algunos autores ²⁴, quienes señalaron que una vez llegado al nivel óptimo de temperaturas, donde la velocidad germinativa es mayor, ocurre un descenso a medida que las temperaturas se acercan a su límite máximo donde se produce un daño irreversible en las semillas.

The Phaseolus vulgaris L bean is one of the legumes that has a preferential place, due to its nutritional composition as it is a rich source of proteins and minerals ^1,2. It is an annual legume, intensively cultivated from the tropics to the temperate zones ^3,4. It occupies more than 80 % of the area sown annually in the world with approximately 15 million hectares ⁵.

In Cuba, this legume constitutes a fundamental dish in the diet of the settlers, where together with rice (Oryza sativa L.) It forms part of the basic diet. However, the country has been importing more than 60 thousand tons of grain per year in order to satisfy market demand ^6,7. That is why strategies are followed to increase yields and reduce imports, for which large areas have been allocated both in the state sector and in farmers' farms. The implementation of actions such as promoting the genetic breeding of cultivars, seeds´ production and the achievement of a correct phytotechnics with emphasis on achieving adequate germination and guaranteeing the density of plants established by the cultivation instructions is also strengthened. However, the response of bean cultivars to different environmental conditions due to the great variability of the climate is currently an element of vital importance to achieve high productivity in the face of climate change effects ⁸. Therefore, to achieve stable yields over time or to increase them, it is necessary to analyze which are the main factors that contribute to determining the final yield, to know their influence and to carry out an adequate management of them. This is because beans require relatively low temperatures for their normal development and when these are high, the germination, morphology and growth of plants are affected, ultimately limiting their productivity. For this reason in Cuba, its cultivation is generally limited to a short period. Furthermore, despite the existence of approximately 21 registered cultivars in the country, the information on their response to climate change effects is insufficient ⁹. It is evident that temperature is one of the most important environmental factors during bean plant development and the one that is affecting it the most because of climate change incidence. That is why research should be conducted in order to identify bean cultivars most adapted to the existing climate variability, especially to the increase in temperature.

From the phases and cultivation stages, the germination process is considered one of the most affected by temperature due to its effect on the activity of enzymes that regulate the speed of biochemical reactions that occur in the seed after rehydration ¹⁰. Currently there is little information on temperature effect on bean cultivar germination obtained in the country and a precise understanding of germination dynamics at different temperatures is required to ensure a number of seedlings in productive practice. Furthermore, this experiment is important to promote programs to improve cultivars based on adaptation to the climate in agricultural sector. Due to the aforementioned, this work was carried out with the aim of evaluating the influence of temperatures on the germination of four bean cultivars.

The experiments were carried out at the Los Palacios Base Scientific and Technological Unit (UCTB-LP), belonging to the National Institute of Agricultural Sciences; located in the southern plain of Pinar del Río Province, at 22° 44' north latitude and 83° 45' west latitude, at 60 m a.s.l, with an approximate slope of 1 %, according to the Atlas of Cuba ³. Phaseolus vulgaris L. seeds (bean) from four cultivars were analyzed, Cubana 23 (black color), Chévere (white color), Buena Ventura (red color), La Cuba 154 (beige color) (Table 1) ⁹. These were supplied by the seed group of the National Institute of Agricultural Sciences. For their selection, the availability of seeds, the area sown at least in the western provinces, grain color and growth habit were taken into account.

Once the crop was harvested, and with the purpose of lowering its humidity to 10 % to avoid deterioration, the pods were dried in a forced air oven at 40 °C for 48 hours, and later they were dehulled. The seed obtained was placed on sieves with circular holes, and the one that was retained between the 0.7 to 1.6 cm long sieves that was used in the experimentation. This caliber corresponded to the middle third of the different sizes of seeds obtained in each cultivar and was the most representative of each one. Before being subjected to germination tests.

In the experiment, the germination temperatures considered in each test were 20, 30 and 40 ºC. The experimental unit corresponded to glass Petri dishes 140 mm in diameter and 20 mm high, with 2 layers of filter paper moistened with distilled water on the bottom of the plates and 30 seeds inside. Four repetitions per treatment were established. Once the seeds were placed in the plates, they were placed in a germination chamber model RTOP-310D regulated at the respective temperature (20, 30, 40 ^oC). The experimental design used in all cases was completely randomized, each trial (Temperatures 20, 30, 40 ºC) was evaluated individually and was repeated twice, working with the means of said repetitions.

Germinated seeds were counted from their establishment to stabilization, with the data obtained it was determined:

The assumptions of normality and variance homogeneity were checked for the data of each evaluated variable (Bartlett's Test and Kolmogorov-Smirnov, respectively). The results (GP, MI) were subjected to an analysis of variance (ANOVA) with a confidence level of 99 %. Comparison of means was made using Duncan's Multiple Ranges Test (P> 0.01) ¹³. For this, the STATGAPHICS Centurión Program on Windows, version XV ¹⁴ was used. With the values of germinated seeds per day, graphs of the germination dynamics of each cultivar were made at the different temperatures studied.

The final germination percentages appear in Table 2, all cultivars presented significant differences in the range of 20 to 40 ºC of temperatures. The highest values were observed at 20 ºC, while the lowest were observed at 40 ºC. However, cultivars Cubana 23 and Buena Ventura were more affected by subjecting their seeds to temperatures of 30 ºC, since only 34 and 47 % of the seeds germinated at this temperature, while La Cuba 154 and Chévere presented values of 82 and 73 % respectively.

The results of La Cuba 154 and Chévere at 30 ºC should be taken into account for the planning of the sowing of the crop in Cuba at late dates (after March), and also as progenitors in the genetic improvement programs of the bean crop for resistance to abiotic stresses especially for high temperatures.

The influence of temperature on the seed germination percentage of agricultural interest crops has been reported by several authors, who highlight that the seed emergence percentage guarantees 50 % of the production success and point out that germination only occurs appropriately within a certain temperature range ^15,16. In studies carried out in the cultivation of peanuts (Arachis hypogaea L), it was shown in all the genotypes studied that germination increased with the rise in temperature above 14 ºC. For the range between 16 and 32 ºC, germination percentages were obtained that meet the standard of commercialization of common seed for peanuts (˃ 80 %); being in all genotypes equal to or greater than 90 % ¹⁷.

It should be noted that in the results of this study, there is a differential and particular response of cultivars to germination temperature and there is variation in the final germination percentages.

Regarding the germination dynamics, there are differences between necessary times for the germination process at the different temperatures to which the seeds of the cultivars under study were exposed (Figure 1). Cubana 23 cultivar shows an advance in the germination beginning of the seeds at 30 ºC in approximately 24 hours, with respect to the temperatures of 20 and 40 ºC that began their germination at 50 hours. However, the behavior of the rest of cultivars at different temperatures was different from that of Cubana 23, since they started the process at approximately 50 hours.

At a temperature of 20 ºC, despite not affecting the germination percentage for cultivars (Cubana 23, Buena Ventura, La Cuba 154, Chévere) (Table 1); It is observed in Figure 1 that the germination dynamics is modified. It is possible to appreciate a delay in the germination process and a long period of approximately 150 and 200 hours necessary for the germination process of seeds to be completed. A similar behavior is observed at 40 ºC, although for this temperature only a prolonged period of approximately 100 to 150 hours is observed, necessary for the germination process of the seeds to complete. In this case, this may be related to the low percentage of seed germination at this temperature (Table 2).

The behavior of Cubana 23 cultivar, which advanced the start of seed germination in 24 hours at a temperature of 30 ºC, could be taken into account for subsequent studies in search of cultivars at high temperatures and for the selection of parents in the breeding program Bean genetics looking for abiotic stress tolerance.

In studies with corn seeds (Zea mays L.), it was reported that when the temperature increased to 45 ºC, the mean germination time increased ¹⁸. However, in tomato seeds (Lycopersicon esculentum Mill), despite not affecting germination between 15 and 25 ºC for the cultivars studied, it was observed that the germination dynamics was modified by temperatures and the moment of obtaining the maximum germination speed as they increased. It stands out that at 35 ºC; in the cultivars where the seeds were able to germinate, the germination time was prolonged to approximately 144 hours ¹⁹.

The Maguire Index (Figure 2), which is a variable that weights accumulated germination over time, was able to differentiate temperature effect with the germination process of different cultivars. It can be seen in the figure that there are significant differences between the different temperatures for each cultivar.

It was also observed that the highest values of this index were reached with temperatures of 20 ºC for all cultivars under study. However, at 30 and 40 ºC they had a lower index. Despite this, it can be specified that at 30 ºC Cubana 23 and Buena Ventura cultivars are observed with a better performance than other cultivars in studies. In the climatic conditions of Cuba, the problem that exists in terms of germination reduction at temperatures above 30 ºC is of great interest, there are studies where seed germination indices are used for the early selection of genotypes tolerant to certain stress ^16,20.

Aspects pointed out by some authors, report that poor seed germination at high temperatures is related to protein synthesis in the seed embryo, which influences their germination speed. In this regard, it is reported that several processes occur in the seed that depend solely on reserves, the gibberellic acid of the embryo acts on the aleurone layer where the amylase enzyme is activated, which initiates the degradation of reserve substances contained in the endosperm and cotyledon. From the digestion of reserve tissues, various compounds are reused in multiple synthesis processes. Complex molecules such as celluloses, hemicelluloses, starches, amylopectins, lipids, lignins, proteins, nucleic acids, vitamins and hormones, are degraded to simple molecules by specific enzymes ^11,21. Other authors highlight the pericarp role in the thermo inhibition of the seeds, they point out that this is due to the presence of inhibitors in the tissue or also because in the high temperature presence the oxygen requirements are relatively high, it does not allow the pericarp to maintain these demands ²².

For most cases, the germination speed increases with increasing temperature. Although very high temperatures also tend to decrease it, in this range it is possible to find the optimum germination temperature. With temperatures above 32 ºC, the germination speed index of seeds can decrease. However, regardless of the genotype, the increase in temperature up to 38 ºC significantly reduces the germination speed ^22,23. High temperature negative effect on the germination speed was also exposed by some authors ²⁴, who pointed out that once the optimum temperature level is reached, where the germination speed is higher, a decrease occurs as the temperatures rise approach their maximum limit where irreversible damage occurs to seeds.