Efecto del QuitoMax^® en la fase de germinación de la semilla de maíz

La investigación se llevó a cabo en el Departamento de Fisiología y Bioquímica Vegetal del INCA, en una cámara de crecimiento. Se utilizó un diseño experimental completamente al azar. Se realizó la evaluación de la germinación in vitro sobre placas Petri de 16 mm de diámetro, sembrando 10 semillas de maíz/placa del cultivar Jíbaro y 4 placas/tratamiento (n=40). Se aplicaron los tratamientos a razón de 1 mL/semilla de QuitoMax^® a diferentes concentraciones (grupos tratados) o agua destilada (grupo testigo), como sustrato sobre papel previamente esterilizado (Tabla 1).

Las placas de germinación se mantuvieron en condiciones controladas de temperatura (20,1-22,0 °C) y humedad relativa (50-64 %), condiciones que fueron monitoreadas diariamente mediante un termohigrómetro (Fisher Scientific). Igualmente se realizó observación diaria para la determinación del tiempo de emergencia de las radículas durante un periodo de 15 días. El experimento se replicó dos veces en el tiempo.

El resto de las mediciones se realizaron a los 15 días de iniciada la prueba. Transcurrido este tiempo, se realizó conteo de las semillas germinadas para la determinación del porcentaje de germinación relativo, la longitud de la raíz (cm), la longitud del tallo (cm) y la altura de la planta (cm).

Efecto de diferentes formas de aplicación del Quitomax^® en etapas tempranas del cultivo de maíz

Se utilizaron semillas de maíz de la variedad Jíbaro, cuyas semillas fueron suministradas por el Departamento de Genética y Mejoramiento Vegetal del INCA y se llevó a cabo el experimento, en condiciones semi-controladas, con los mejores resultados alcanzados en los estudios realizados sobre la germinación de las semillas (Tabla 2).

Para realizar los experimentos se utilizaron bolsas de polietileno de 7 kg de capacidad con un suelo clasificado como Ferralítico rojo lixiviado agrogénico (1414. HERNÁNDEZ J, PÉREZ J, BOSCH I, Castro SN. Clasificación de los suelos de Cuba. [Internet]. Cuba: Ediciones INCA; 2015. 93 p. Available from: https://isbn.cloud/isbn-upload-image/?isbn13=9789597023777 ), recolectado en áreas del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), se utilizaron diez bolsas por cada tratamiento, se sembraron cinco semillas por bolsas y a los siete días de emergidas las plantas se dejó solo una en cada bolsa, con un diseño completamente aleatorizado y el riego se realizó cada dos días. Este experimento se repitió tres veces en el tiempo (n=30).

Las aspersiones foliares se realizaron a los 15 y 30 días después de emergidas las plantas. A los 15 días posteriores de la primera aspersión foliar se midió a cinco plantas por tratamiento, el largo de la raíz (cm) y la altura de la planta (cm); a los 45 días después de emergidas las plantas se determinó la longitud de la raíz, la altura de la planta (cm) y la masa seca (g).

Efecto del QuitoMax^® en la fase de germinación de la semilla de maíz

La germinación de las semillas es un proceso oxidativo, donde influyen múltiples factores, en la Figura 1, se muestra el resultado del porcentaje de germinación, en plántulas de maíz del cultivar Jíbaro, en condiciones controladas. Puede observarse que en los primeros cinco días después de la germinación (DDG), las concentraciones empleadas de QuitoMax^® (T2, T3 y T4) no lograron estimular la germinación por encima del control (T1), al no existir diferencias significativas entre los tratamientos, obteniéndose el menor valor en la concentración de 0,05 g L^-1 (v:v) correspondiente al tratamiento T4.

Sin embargo, después de los 6 DDG, se aprecia el efecto fisiológico deseado del QuitoMax^® sobre la germinación en los tratamientos 2, 3 y 4; demostrándose que las concentraciones empleadas lograron estimular este proceso, alcanzando valores por encima del testigo. Otro hallazgo importante fue que a medida que se disminuyó la concentración del QuitoMax^® se redujo la germinación; obteniéndose el mejor resultado en la concentración de1 g L^-1 correspondiente al tratamiento 2.

En sentido general, todos los tratamientos con QuitoMax^®, incluido el de 0,05 g L^-1 (T4), que fue el que menor número de semillas germinadas presentó, se comportaron mejores que el tratamiento testigo, por lo que se puede plantear que la velocidad de germinación de estas semillas fue más lenta que en los tratamientos donde se aplicó la quitosana.

Algunos autores han planteado que la quitosana incrementa la germinación en algunos cultivos, ya que estimula enzimas del metabolismo secundario, tales como la quitinasa, celulasa y B 1,3 glucanasa (1515. Leubner-Metzger G. Functions and regulation of β-1, 3-glucanases during seed germination, dormancy release and after-ripening. Seed Science Research [Internet]. 2003;13(1):17-34. Available from: https://www.cambridge.org/core/journals/seed-science-research/article/abs/functions-and-regulation-of-13glucanases-during-seed-germination-dormancy-release-and-afterripening/4280CBE92E6FE5DA15342CCCCC13EB9E ,1616. Rodríguez-Pedroso AT, Ramírez-Arrebato MA, Rivero-González D, Bosquez-Molina E, Barrera- Necha LL, Bautista-Baños S. Propiedades químico-estructurales y actividad biológica de la quitosana en microorganismos fitopatógenos. Revista Chapingo. Serie horticultura [Internet]. 2009 [cited 12/08/2021];15(3):307-17. Available from: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S1027-152X2009000500012&lng=es&nrm=iso&tlng=es ). Adicionalmente, el tratamiento con quitosana logró estimular algunos eventos en la semilla como son: hidratación de proteínas, cambios estructurales subcelulares, respiración, síntesis de macromoléculas y elongación celular. Todos estos procesos permiten el paso de un embrión deshidratado, en estado de reposo, con un metabolismo apenas detectable a uno con un metabolismo activo que culmina en el crecimiento del eje embrionario.

El efecto del QuitoMax^® en los indicadores de crecimiento y desarrollo del maíz estudiados se muestran en la Figura 2. De forma general se puede apreciar que con la concentración de 1 g L^-1 fue con la que se logró mayor longitud de la raíz, mayor longitud del tallo y la mayor altura de la planta, pero esta concentración no difirió de los restantes tratamientos en los que se utilizó QuitoMax^®, a excepción de la longitud de la raíz, pero sí se diferenció del tratamiento control (T1).

Algunos autores han observado el efecto estimulador del crecimiento de la quitosana en semillas de cereales, así como otros investigadores han observado un aumento en el tamaño y el diámetro del tallo (1717. Martínez González L, Reyes Guerrero Y, Falcón Rodríguez A, Núñez Vázquez M. Efecto del tratamiento a las semillas con quitosana en el crecimiento de plántulas de arroz (Oryza sativa L.) cultivar INCA LP-5 en medio salino. Cultivos Tropicales [Internet]. 2015;36(1):143-50. Available from: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0258-59362015000100020 ,1818. Pichyangkura R, Chadchawan S. Biostimulant activity of chitosan in horticulture. Scientia Horticulturae [Internet]. 2015;196:49-65. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304423815301953 ). Esto puede explicarse porque la quitosana favorece la producción de enzimas relacionadas con el crecimiento y el desarrollo de las plantas, tales como la celulosa, lo que promueve una mayor altura de las plantas (1919. Pérez JJR, Enríquez-Acosta EA, Ramírez-Arrebato MÁ, Rodríguez-Pedroso AT, Lara-Capistrán L, Hernández-Montiel LG. Evaluation of the growth, yield and nutritional quality of pepper fruit with the application of Quitomax^®. International Journal of Agriculture and Natural Resources [Internet]. 2019;46(1):23-9. Available from: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=7019365 ).

Considerando lo anteriormente expuesto, es menester destacar que estos resultados poseen un impacto positivo y práctico en la agricultura cubana, porque la siembra usualmente se efectúa después de remojar e incubar las semillas por períodos sucesivos de 24 horas, aunque en Cuba, el tiempo de sumersión y reposo varía entre 24 horas y 30 horas en el verano y en invierno hasta 40 y 48 horas, respectivamente (2020. Terry AE, Ruiz PJ, Falcón RA, Carrillo SY, Morales MH. Respuesta agronómica del cultivo de tomate al bioproducto Quitomax^®. Cultivos Tropicales. 2017;38(1):7-13. Available from: https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20173202179 ), lo cual aceleraría este proceso con el empleo del QuitoMax^®.

Efecto de diferentes formas de aplicación del QuitoMax^® en etapas tempranas del cultivo de maíz

Al evaluar el efecto de las diferentes formas de aplicación del QuitoMax^® sobre la longitud de la raíz de las plantas de maíz (Figura 3), se registraron diferencias entre todas ellas y el tratamiento en el que no se aplicó (T1).

Se destaca el hecho de que en los tratamientos donde se aplicó la quitosana no existieron diferencias significativas entre ellos; sin embargo, con la aplicación de quitosana en la imbibición de las semillas combinada con la aspersión foliar (T6 y T7), se lograron longitudes superiores de la raíz a las aplicaciones independientes (T2, T3, T4 y T5) y al control (T1).

Los resultados de la evaluación de la longitud del tallo, se presentan en la Figura 4. Se observó que las plantas donde se aplicó el QuitoMax^® de diferentes formas, mostraron resultados superiores significativamente a aquellas donde no se aplicó el producto (T1).

Al analizar el efecto de QuitoMax^® sobre la altura de las plantas de maíz (Figura 5) se registraron diferencias entre los tratamientos donde se aplicó la quitosana y el tratamiento en el que no se aplicó (T1). Es de señalar que entre los tratamientos que se aplicó la quitosana, los mejores resultados con diferencias significativas con el resto de los tratamientos, fue cuando se combinó la imbibición de las semillas con la aspersión foliar y dentro de estos cuando se aplicó a una concentración de 1 g L^-1 (T6).

La respuesta mostrada por las plantas tratadas con QuitoMax^® en su crecimiento y desarrollo, concuerdan con lo informado por otros autores (2121. Lizárraga-Paulín EG, Torres-Pacheco I, Moreno-Martínez E, Miranda-Castro SP. Chitosan application in maize (Zea mays) to counteract the effects of abiotic stress at seedling level. African Journal of Biotechnology [Internet]. 2011;10(34):6439-46. https://doi.org/10.4314/ajb.v10i34 ), al estudiar el efecto de aplicaciones de quitosana en plantas jóvenes de maíz (Zea mays L.) expuestas a diferentes tipos de estrés. Respuestas similares en cuanto al incremento del crecimiento y el rendimiento con la aplicación QuitoMax^® fueron encontrados al evaluar el efecto de la aplicación de este producto de forma foliar en el cultivo del frijol (Phaseolus vulgaris L.) (1212. Morales Guevara D, Dell Amico Rodríguez J, Jerez Mompié E, Hernández YD, Martín Martín R. Efecto del QuitoMax^® en el crecimiento y rendimiento del frijol (Phaseolus vulgaris L.). Cultivos Tropicales [Internet]. 2016;37(1):142-7. Available from: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0258-59362016000100020 ).

El efecto de la aplicación de la quitosana en la masa seca de la raíz y la parte aérea de las plantas de maíz se muestra en la Figura 6. El comportamiento de la masa seca de la raíz (Figura 6A), mostró que no existen diferencias estadísticas entre las medias de los tratamientos donde se realizaron aplicaciones del producto y sí con el tratamiento control (T1); sin embargo, se encontró que la mayor masa seca de las raíces se obtuvo en las plantas a las cuales se embebieron las semillas y posteriormente se les realizó una aspersión foliar de QuitoMax^® con dosis de 1 g L^-1. En cuanto a la masa seca de la raíz (Figura 6B), el tratamiento T6 fue el que produjo un impacto recuperador más significativo, al superar en cerca de tres veces lo encontrado con T1. Estos efectos favorables en las plantas donde se utilizaron las diferentes formas de aplicación de la quitosana, pueden ser el resultado del mayor crecimiento logrado por las mismas, lo que puede potenciar el incremento de los contenidos de elementos esenciales (2222. Mondal M, Puteh AB, Dafader NC. Foliar application of Chitosan improved morphophysiological attributes and yield in summer tomato (Solanum lycopersicum). Pakistan Journal of Agricultural Sciences [Internet]. 2016;53(2):239-344. Available from: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.1063.7518&rep=rep1&type=pdf ).

Quitomax^® effect on the germination phase of corn seed.

The research was carried out at the Department of Plant Physiology and Biochemistry of INCA, in a growth chamber. A completely randomized experimental design was used. The evaluation of in vitro germination was carried out on 16 mm diameter Petri dishes, sowing 10 corn seeds/plate of Jibaro cultivar and 4 plates/treatment (n=40). Treatments were applied at a rate of 1 mL/seed of QuitoMax^® at different concentrations (treated groups) or distilled water (control group), as a substrate on previously sterilized paper (Table 1).

The germination plates were maintained under controlled conditions of temperature (20.1-22.0 °C) and relative humidity (50-64 %), conditions that were monitored daily using a thermohygrometer (Fisher Scientific). Daily observation was also carried out to determine the emergence time of radicles during a period of 15 days. The experiment was replicated twice over time.

The rest of measurements were taken 15 days after the test starting. After this time, germinated seeds were counted to determine the relative germination percentage, root length (cm), stem length (cm) and plant height (cm).

Effect of different forms of Quitomax^® application in early stages of the corn crop

Corn seeds of Jíbaro variety were used, whose seeds were supplied by INCA's Department of Genetics and Plant Breeding, and the experiment was carried out under semi-controlled conditions, with best results in the studies conducted on seed germination (Table 2).

To carry out the experiments, polyethylene bags of 7 kg capacity were used with a soil classified as agrogenic leached red Ferrallitic (1414. HERNÁNDEZ J, PÉREZ J, BOSCH I, Castro SN. Clasificación de los suelos de Cuba. [Internet]. Cuba: Ediciones INCA; 2015. 93 p. Available from: https://isbn.cloud/isbn-upload-image/?isbn13=9789597023777 ), collected in areas of the National Institute of Agricultural Sciences (INCA), ten bags were used for each treatment, five seeds were sown per bag and seven days after the plants emerged, only one was left in each bag, with a completely randomized design and irrigation was performed every two days. This experiment was repeated three times over time (n=30).

Foliar sprays were made 15 and 30 days after plant emergence. At 15 days after the first foliar spray, root length (cm) and plant height (cm) were measured on five plants per treatment; at 45 days after emergence, root length, plant height (cm) and dry mass (g) were determined.

Effect of quitomax^® on the germination phase of corn seed efecto del quitomax^® en la fase de germinación de la semilla de maíz

Seed germination is an oxidative process, influenced by multiple factors. Figure 1 shows the result of the germination percentage in corn seedlings of Jibaro cultivar, under controlled conditions. It can be observed that in the first five days after germination (DAG), QuitoMax^® concentrations used (T2, T3 and T4) failed to stimulate germination above the control (T1), as there were no significant differences between treatments, with the lowest value obtained in the concentration of 0.05 g L^-1 (v:v) corresponding to treatment T4.

However, after 6 DAG, the desired physiological effect of QuitoMax^® on germination was observed in treatments 2, 3 and 4, showing that the concentrations used were able to stimulate this process, reaching values above those of the control. Another important finding was that as the QuitoMax^® concentration decreased, germination decreased; the best result was obtained in the concentration of 1 g L^-1 corresponding to treatment 2.

In general, all the QuitoMax^® treatments, including the 0.05 g L^-1 (T4), which had the lowest number of germinated seeds, performed better than the control treatment, so it can be suggested that the germination rate of these seeds was slower than in treatments where chitosan was applied. Some authors have suggested that chitosan increases germination in some crops, since it stimulates enzymes of secondary metabolism, such as chitinase, cellulase and B 1,3 glucanase (1515. Leubner-Metzger G. Functions and regulation of β-1, 3-glucanases during seed germination, dormancy release and after-ripening. Seed Science Research [Internet]. 2003;13(1):17-34. Available from: https://www.cambridge.org/core/journals/seed-science-research/article/abs/functions-and-regulation-of-13glucanases-during-seed-germination-dormancy-release-and-afterripening/4280CBE92E6FE5DA15342CCCCC13EB9E ,1616. Rodríguez-Pedroso AT, Ramírez-Arrebato MA, Rivero-González D, Bosquez-Molina E, Barrera- Necha LL, Bautista-Baños S. Propiedades químico-estructurales y actividad biológica de la quitosana en microorganismos fitopatógenos. Revista Chapingo. Serie horticultura [Internet]. 2009 [cited 12/08/2021];15(3):307-17. Available from: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S1027-152X2009000500012&lng=es&nrm=iso&tlng=es ). Additionally, treatment with chitosan was able to stimulate some events in the seed such as: hydration of proteins, subcellular structural changes, respiration, synthesis of macromolecules and cell elongation. All these processes allow the passage from a dehydrated embryo, in a resting state, with a barely detectable metabolism to one with an active metabolism that culminates in the growth of the embryonic axis.

The effect of QuitoMax^® on the growth and development indicators of the corn studied are shown in Figure 2. In general, it can be seen that the concentration of 1 g L^-1 achieved the greatest root length, the greatest stem length and the greatest plant height, but this concentration did not differ from the other treatments in which QuitoMax^® was used, with the root length exception, but it did differ from the control treatment (T1).

Some authors have observed the growth stimulating effect of chitosan on cereal seeds, just as other researchers have observed an increase in stem size and diameter (1717. Martínez González L, Reyes Guerrero Y, Falcón Rodríguez A, Núñez Vázquez M. Efecto del tratamiento a las semillas con quitosana en el crecimiento de plántulas de arroz (Oryza sativa L.) cultivar INCA LP-5 en medio salino. Cultivos Tropicales [Internet]. 2015;36(1):143-50. Available from: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0258-59362015000100020 ,1818. Pichyangkura R, Chadchawan S. Biostimulant activity of chitosan in horticulture. Scientia Horticulturae [Internet]. 2015;196:49-65. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304423815301953 ). This can be explained by the fact that chitosan favors the production of enzymes related to plant growth and development, such as cellulose, which promotes greater plant height (1919. Pérez JJR, Enríquez-Acosta EA, Ramírez-Arrebato MÁ, Rodríguez-Pedroso AT, Lara-Capistrán L, Hernández-Montiel LG. Evaluation of the growth, yield and nutritional quality of pepper fruit with the application of Quitomax^®. International Journal of Agriculture and Natural Resources [Internet]. 2019;46(1):23-9. Available from: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=7019365 ).

It is necessary to emphasize that these results have a positive and practical impact in Cuban agriculture, because sowing is usually done after soaking and incubating the seeds for successive periods of 24 hours, although in Cuba, the soaking and resting time varies between 24 hours and 30 hours in summer and in winter up to 40 and 48 hours, respectively (2020. Terry AE, Ruiz PJ, Falcón RA, Carrillo SY, Morales MH. Respuesta agronómica del cultivo de tomate al bioproducto Quitomax^®. Cultivos Tropicales. 2017;38(1):7-13. Available from: https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20173202179 ), which would accelerate this process with QuitoMax^® use.

Effect of different application forms of QuitoMax^® in early stages of the corn crop

When evaluating the effect of the different application forms of QuitoMax^® on the root length of corn plants (Figure 3), differences were recorded between all of them and the treatment in which it was not applied (T1).

It is noteworthy that in treatments where chitosan was applied, there were no significant differences among them; however, with chitosan application in the imbibition of seeds combined with foliar spraying (T6 and T7), superior root lengths were achieved compared to the independent applications (T2, T3, T4 and T5) and the control (T1).

The results of stem length evaluation are shown in Figure 4. It was observed that the plants where QuitoMax^® was applied in different ways showed significantly superior results to those where the product was not applied (T1).

When analyzing the effect of QuitoMax^® on the height of corn plants (Figure 5), differences were recorded between treatments where chitosan was applied and the treatment where it was not applied (T1). It should be noted that among treatments in which chitosan was applied, best results, with significant differences with the rest of the treatments, were when seed imbibition was combined with foliar spraying, and within these when it was applied at a concentration of 1 g L^-1 (T6).

The response shown by plants treated with QuitoMax^® in their growth and development agrees with that reported by other authors (2121. Lizárraga-Paulín EG, Torres-Pacheco I, Moreno-Martínez E, Miranda-Castro SP. Chitosan application in maize (Zea mays) to counteract the effects of abiotic stress at seedling level. African Journal of Biotechnology [Internet]. 2011;10(34):6439-46. https://doi.org/10.4314/ajb.v10i34 ), when studying chitosan application effect on young maize (Zea mays L.) plants exposed to different types of stress. Similar responses in terms of growth and yield increase with QuitoMax^® application were found when evaluating foliar application effect of this product on beans (Phaseolus vulgaris L.) (1212. Morales Guevara D, Dell Amico Rodríguez J, Jerez Mompié E, Hernández YD, Martín Martín R. Efecto del QuitoMax^® en el crecimiento y rendimiento del frijol (Phaseolus vulgaris L.). Cultivos Tropicales [Internet]. 2016;37(1):142-7. Available from: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0258-59362016000100020 ).

Chitosan application effect on the dry mass of the root and aerial part of corn plants is shown in Figure 6. The behavior of the root dry mass (Figure 6A) showed that there were no statistical differences between means of the treatments where the product was applied and the control treatment (T1); however, it was found that the highest dry mass of the roots was obtained in plants to which seeds were embedded and then foliar sprayed with QuitoMax^® at a dose of 1 g L^-1.

In terms of root dry mass (Figure 6B), the T6 treatment was the one that produced the most significant recovery impact, exceeding by about three times that found with T1. These favorable effects on plants where the different forms of chitosan application were used may be the result of the greater growth achieved by plants, which may enhance the increase in the content of essential elements (2222. Mondal M, Puteh AB, Dafader NC. Foliar application of Chitosan improved morphophysiological attributes and yield in summer tomato (Solanum lycopersicum). Pakistan Journal of Agricultural Sciences [Internet]. 2016;53(2):239-344. Available from: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.1063.7518&rep=rep1&type=pdf ).