Cultivos Tropicales Vol. 43, No. 1, enero-marzo 2022, ISSN: 1819-4087
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Artículo original

Radiosensibilidad del arroz (Oryza sativa L. var CR5272) por irradiación gamma en Costa Rica

 

iDMairon Madriz-Martínez*

iDAlexis Fernández-Acuña

iDSilvia Hernandez-Villalobos

iDRafael Orozco-Rodríguez

iDJuan Argüello-Delgado


Escuela de Ciencias Agrarias, Facultad de Ciencias de la Tierra y el Mar, Universidad Nacional de Costa Rica (UNA).

 

*Autor para correspondencia: mairon.madriz.martinez@una.cr; alexxis-fa@hotmail.com

Resumen

Para el mejoramiento genético de plantas se han utilizado las mutaciones inducidas. Un paso previo a esto es el estudio de la radiosensibilidad del material a trabajar, ya que permite observar el efecto sobre el material vegetal y definir la dosis adecuada. Este trabajo tuvo como objetivo determinar la radiosensibilidad de semillas de arroz (Oryza sativa L. var CR5272), sometidas a irradiación gamma con 60Co. Se evaluaron siete dosis: desde 100 hasta 700 Grays (Gy) con incrementos de 100 Gy, comparadas con un testigo sin irradiar (T0). Las variables se evaluaron, a los siete días el porcentaje de germinación y a los 21 días, la longitud del tallo y de la raíz. Los valores de las variables disminuyeron conforme se incrementó la dosis de irradiación. La mayor germinación y longitud de tallo se dio a los 100 y 200 Gy; sin embargo, ninguno tuvo una diferencia estadística con respecto al testigo; la longitud de la raíz se incrementó en un 12,74 %, con radiación de 100 Gy, en relación con el tratamiento sin irradiar. La dosis letal media (DL50) se estableció en 674 Gy para el porcentaje de germinación, en 380 Gy para la longitud del tallo y 274 para la raíz. La correlación entre los niveles de radiación y longitud de tallo y de raíz (R=0,92 y R=0,85) fue significativa, no así en la germinación (R=0,54). Se logró realizar la radiosensibilidad para semillas de arroz (Oryza sativa L. var CR5272) y se estableció un rango de 300-400 Gy de irradiación, como dosis efectiva, adecuada para inducir mutaciones favorables en esta variedad.

Palabras clave: 
cobalto, DL, fitomejoramiento, mutación

Recibido: 15/8/2020; Aceptado: 11/8/2021

CONTENIDO

Introducción

 

El arroz (Oryza sativa) es considerado como uno de los cultivos de mayor importancia para la alimentación mundial, ya que es el alimento básico de más de la mitad de la población del mundo. El crecimiento acelerado de la población, la menor cantidad de recursos y tierras disponibles, así como la incertidumbre climática que provoca nuevas razas de enfermedades y plagas, son una amenaza a la seguridad alimentaria; por lo tanto, es urgente aumentar la diversidad del cultivo con mejoras en la eficiencia, para hacer frente a los retos futuros, para ello se han buscado herramientas para la modificación y el mejoramiento genético del arroz, entre ellas la aplicación de radiaciones (1,2).

El uso de radiaciones ionizantes es una técnica que genera alteraciones en el material vegetal, lo que permite inducir variabilidad genética, la cual resulta muy eficiente en la obtención de mutantes que permite el mejoramiento de cultivos en rasgos específicos con características deseadas de importancia agronómica (3,4). Los rayos gamma son un agente mutágeno físico que tienen una longitud de onda baja y un alto poder de penetración, causan mutaciones genéticas en los organismos vivos, las cuales se distribuyen aleatoriamente en el genoma (3).

La aplicación de radiaciones gamma se usa para ampliar la variabilidad genética y crear nuevas variedades con genotipos superiores en poco tiempo, para que su aplicación sea eficiente se debe efectuar ensayos que permitan determinar la dosis de irradiación optima la cual dependerá de las características físicas del material vegetal, al evaluar la radiosensibilidad de los tejidos a diferente intensidad, lo que busca es familiarizarse con los efectos de las radiaciones sobre éste, así como para evaluar el porcentaje de sobrevivencia de los materiales a las dosis (5).

Existe una mayor probabilidad de producir mutaciones efectivas para hacer fitomejoramiento con dosis donde mueren el 50 % de los individuos irradiados, esto es conocido como dosis letal media (6). Por otra parte, el genoma sufre múltiples impactos con dosis altas que producen aberraciones o cambios negativos comúnmente (7).

Según More y Borkar (8) la efectividad en la producción de mutaciones disminuye conforme se aumenta la dosis de rayos gamma ya que estos pueden causar alteración de caracteres fisiológicos. El efecto biológico de los rayos gamma se debe a la interacción de átomos o moléculas en la célula, particularmente en el agua, para producir radicales libres (9).

Estos radicales pueden dañar o cambiar componentes importantes de las células vegetales, se ha reportado que afectan diferencialmente la morfología, la anatomía, la bioquímica y la fisiología de las plantas, dependiendo de las dosis de radiación (10).

Más de 2200 variedades de cultivos fueron lanzados a finales del siglo pasado usando mutagénesis por irradiación; de ellos 434 son variedades de arroz (11). En Costa Rica, en la década de los 90, se utilizó esta técnica para obtener el mutante CAMAGO-8, el cual se seleccionó por su tolerancia a Pyricularia y por su alto rendimiento, esta variedad se sembró por varios años en fincas de productores en la región de Guanacaste, hasta que la tolerancia al hongo no se mantuvo (12).

En Costa Rica para el periodo 2017/2018 el consumo nacional de arroz pilado fue de 239 707 t (13) con un consumo per cápita que ronda los 50 kg, se estima que el consumo de arroz mundial para el 2020 será de763 millones de toneladas, con un incremento de 852 millones de toneladas para el 2035 (14,15), valores que revelan la importancia de este cereal en la dieta global y de los costarricense, convirtiéndolo en un elemento fundamental de la seguridad alimentaria, debido a esto, es importante contar con programas de mejoramiento genético que ayuden a optimizar la calidad del cultivo de arroz y así abastecer la demanda en un futuro; es por ello, que el presente estudio tuvo como objetivo, determinar la radiosensibilidad de semillas de arroz de la var. CR5272 y así determinar la DL50 para este cultivar.

Materiales y métodos

 

Esta investigación se llevó a cabo en las instalaciones de la Escuela de Ciencias Agrarias de la Universidad Nacional (UNA). Se utilizaron semillas del cultivar CR5272 (Oryza sativa cv CR5272) con germinación del 92 % y la humedad entre11-13 %, las cuales fueron irradiadas con siete dosis de rayos gamma (100, 200, 300, 400, 500, 600 y 700 Gy) y un testigo sin irradiar.

Las semillas se irradiaron utilizando una fuente de cobalto (60Co) con una taza de irradiación de 60 Gy/minuto en un Gammacell del Laboratorio de irradiación gamma del Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR), Cartago, Costa Rica. Se utilizaron 160 semillas para cada tratamiento.

Después de la irradiación las semillas se sembraron con el método de muñeca, el cual consistió en colocar las semillas en pliegos de papel periódico con dimensiones de 36,5 cm largo x 26 cm de ancho, en la parte más larga del papel a 1 cm del borde y con un espaciamiento de 0,9 cm por semilla. Una vez colocadas las semillas, el papel se humedeció con agua destilada y se enrolló el papel en forma de cilindro y se colocó en un beaker de 3 litros con agua a tres cuartos del pliego de papel, estos se colocaron en una cámara de germinación por siete días, la cámara se mantuvo a 85 % de humedad y 30 °C. Después de la germinación todas las semillas se colocaron en el invernadero hasta cumplir los 21 días.

Se implementó un diseño experimental completamente al azar (DCA) con cuatro repeticiones por tratamiento y cada repetición compuesta por 40 semillas. Cada unidad experimental estuvo conformada por una planta. La radiosensibilidad de las semillas se evaluó por medio del porcentaje de germinación, la longitud del tallo (de la base al ápice de la hoja más larga) y longitud de raíz (de la base a la parte más distal de la raíz más larga) de las plántulas. La evaluación se realizó a los siete días para germinación y a los 21 días para longitud de tallo y raíz.

Para determinar el efecto de los tratamientos sobre las variables evaluadas se realizó un análisis de varianza de comparación de medias, para la longitud de tallo, raíz y germinación, mediante la prueba de LSD Fisher (p<0,05), utilizando el paquete estadístico INFOStat. Las variables se evaluaron mediante un DMR en R para determinar la DL50 con un modelo no lineal de tres parámetros.

Resultados y discusión

 

El análisis de varianza indicó que la radiación entre 100 Gy y 500 Gy no mostró efectos significativos en la germinación de las plantas de arroz. Con ese rango de radiación la germinación fue parecida al testigo sin irradiar, no hubo una diferencia significativa (p>0,05) (Figura 1a). En un ensayo con 13 cultivares de arroz irradiados, encontraron que el incremento de dosis de radiación gamma no tuvo un efecto significativo en la germinación de semillas con ninguna dosis (16). La radiación aumenta la sensibilidad de las plantas a los rayos gamma, el efecto estimulante de los rayos gamma sobre la germinación puede atribuirse a la activación del ARN o la síntesis de proteínas y ocurrir durante la etapa inicial de la germinación después de la irradiación de las semillas, el aumento de la dosis de radiación puede ser responsable de una menor incapacidad de germinación; sin embargo, ciertos genotipos poseen diferente sensibilidad a la irradiación con rayos gamma (16,17).

Letras mayúsculas distintas significan diferencias estadísticas. LSD Fisher (p<0,05)
Figura 1.  Irradiación con 60Co en semillas de arroz (Oryza sativa L.var CR5272) y su efecto sobre: el porcentaje de germinación (a); longitud del tallo (b); longitud de la raíz (c) y sensibilidad de CR5272 desde 0 hasta 700 Gy (d).

Los tratamientos de 600 Gy y 700 Gy sí presentaron diferencias significativas (p>0,05) con respecto al testigo (efecto radio inhibidor) (Figura 1a), en 700 Gy (p<0,0001) el porcentaje de germinación disminuyó hasta un 66 % (Figura 1d). Esto concuerda con los resultados obtenidos al irradiar dos variedades de arroz, la dosis más alta (500 Gy) fue la que provocó una mayor inhibición en la germinación con un 53,75 % y 51,54 %, respectivamente, para las variedades de arroz ADT-37 y ADT (R)-45 (18). En otra clase de gramíneas, como en el pasto llorón, la germinación decayó de 98 % a 36 % al incrementar la dosis de irradiación de 300 a 400 Gy y en pasto africano pasó de un 98 % de germinación en el testigo sin irradiar, hasta valores de 1 % al utilizar 900 Gy (19-21). Dosis altas de irradiación pueden causar lesiones a nivel génico y cromosómicos que son letales para las células en división, lo que provocan daños fisiológicos que inhiben las funciones vitales de las células, como daño a los tejidos embrionarios, división celular anormal y mutación, esto puede provocar la muerte del embrión en la semilla, lo que causa una disminución en la germinación (22,23).

La dosis en la que la germinación tuvo el valor más próximo a la DL50 se encontró en 674 Gy según el análisis estadístico, en otro estudio para la variedad de arroz IBD1 la DL50 se encontró en la dosis 564,5 Gy (1), mientras que en un ensayo con dos variedades de arroz (MRQ74 y MR269) la DL50 se encontró entre los 351 y 365 Gy, la DL50 fue a los 300,3 Gy y 300 Gy para los cultivares de arroz ADT-37 y ADT (R)-45, respectivamente; mientras que en la DL50 en el cultivar Anna (R)4 en India, fue a los 376,5 Gy (18,24,25).

En cuanto a la altura del tallo, los datos muestran que el incremento de dosis de 0-200 Gy en la radiación, no presentó diferencias significativas con respecto al testigo (p>0,05), pero conforme las dosis de irradiación se incrementaron, la altura de las plantas disminuyó; a partir de 300 Gy la disminución en la altura de las plantas fue de un 28 %, mientras que a una dosis de 700 Gy la disminución en la altura fue de un 87 %. Otros resultados mostraron que dos líneas de arroz (G10 y G16), así como el cultivar Baas Selem, disminuyeron la altura de la planta, conforme se incrementaron las radiaciones desde 200 Gy hasta 500 Gy (2), mientras que en un ensayo con las variedades ADT-37 y ADT (R)-45 la disminución en la altura correspondió a 63,15 % y 65,37 %, respectivamente, en la dosis de 500 Gy (18). Lo anterior indica que altas dosis de radiación gamma en semillas, tienen un efecto negativo sobre el crecimiento de la planta, esto puede deberse a que la radiación gamma causa destrucción de compuestos importantes para el desarrollo vegetal, como son, las enzimas, las auxinas y el ácido ascórbico, lo que provoca daños en el proceso de división y elongación celular (20,22,26). Altas dosis de radiación también pueden afectar la estructura del ADN, provocando anomalías en la secuencia de nucleótidos que, a su vez, induce transcripciones defectuosas, inactiva productos proteicos, dando como resultado la inhibición del crecimiento vegetativo (22,23).

La dosis letal media (DL50) para la longitud de planta evaluada por medio del análisis estadístico se encontró en 380 Gy (Figura 1b). En contraste para la variedad de arroz MR284 la DL50 fue de 400 Gy (27). El fenómeno de estimulación se presentó en las raíces, según el análisis de varianza se encontraron diferencias significativas entre el testigo y el tratamiento de 100 Gy (p<0,0001), ya que las semillas que fueron irradiadas con esta dosis presentaron la mayor longitud de la raíz (Figura 1c). Esta misma situación se presentó en otros cultivos como el tomate, donde se observó una respuesta positiva a la irradiación en la longitud de raíz de un 37 %, en relación con el control a dosis bajas, mientras que en un estudio con plantas de girasol para la producción de aceite, la dosis de 200 Gy fue la que mayor estimulación indujo en el indicador de longitud de raíz; así mismo, en árboles forestales, se observó una mejora significativa en la longitud de la raíz a bajas dosis de radiación (28-30).

Se ha demostrado que la radiación a dosis bajas es elemental en plantas, ya que se puede dar un incremento en la estimulación y el desarrollo de estas, al utilizar con mayor eficiencia las vías bioquímico-metabólicas por medio de los radicales libres, iones y moléculas excitadas (31), esto provoca la radioresistencia en las plantas, que es la capacidad de reparación de su sistema para superar el efecto dañino de los estresores y su establecimiento exitoso en condiciones adversas (29).

Al igual que las anteriores dos variables, en el presente estudio con arroz, se observó una reducción en la longitud de la raíz, conforme se incrementó la dosis de rayos gamma a partir de 300 Gy. La menor longitud de la raíz (0,25 cm) se presentó con 700 Gy y fue un 97,8 % menor al tamaño del testigo (p<0,0001). En otro estudio de arroz con la variedad Anna (R), se redujo en un 73,32 % la longitud de raíz con la dosis de 400 Gy, en las variedades de arroz ADT-37 y ADT (R)-45 la longitud de raíz también disminuyó, conforme se incrementaron las dosis de radiación, la mayor reducción de la raíz se observó en la dosis más alta de 500 Gy, con un 66,81 % y un 64,73 % de reducción, respectivamente (18,25). Por otra parte, la exposición a radiaciones altas puede provocar un daño cromosómico, que provoca que las células no puedan desarrollarse bien y, por lo tanto, no favorecen el desarrollo y crecimiento de la planta, las dosis altas de radiación también reducen la actividad mitótica en los tejidos meristemáticos y la reducción del contenido de humedad en las semillas, lo que provoca una reducción en el largo de la raíz (25,32).

La dosis letal media para la longitud de raíz fue de 274 Gy (Figura 1c), según el análisis estadístico. En contraste, para dos variedades de calabaza, se encontró que la DL50 fue a una dosis de 161-177 Gy, basado en la longitud de raíz (33). Sin embargo, para otros cultivos se requiere dosis más altas, como en el mijo la DL50 se dio a los 500 Gy (6).

Los resultados del presente estudio indican que, de los tres parámetros estudiados, la longitud de tallo y la longitud de la raíz se pueden usar con la misma confiabilidad para estimar las dosis adecuadas de irradiación gamma, para el tratamiento de semillas de arroz en un programa de mejoramiento. Se excluye el indicador de germinación, debido a que su DL50 es en la dosis 674 Gy que fue una de las más altas y en donde se disminuyó la germinación en un 66 %, aparte de que esta dosis de radiación afectó significativamente los otros dos parámetros (Tabla 1). Por lo tanto, se optó por establecer un rango, que comprenda la media ponderada de los parámetros, la longitud de tallo y la longitud de la raíz y se determinó que la DL50 para la del cultivar CR5272 (Oryza sativa L. spp. Indica cv CR5272) está en el rango de 300 a 400 Gy, que es muy parecido al establecido en otras variedades de arroz, encontrado entre 280 Gy y 350 Gy (34). Con el rango establecido para el cultivar CR5272 se podrá obtener la mayor cantidad de mutantes útiles, con un daño mínimo para la supervivencia de las plantas.

Tabla 1.  Resumen de las DL50 obtenidas del análisis dosis-respuesta por medio de modelo no lineal de cada parámetro.
Parámetro DL50 (Gy) E.E T-valor p-valor
1- Germinación 674,17 8,5136 79,1879 2,2e-16 ***
2- Tallo 380,81 7,157919 53,201 2,2e-16 ***
3- Raíz 274,12 6,45163 42,489 2,2e-16 ***

Signif. códigos: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

Conclusiones

 

Este estudio permitió determinar la radiosensibilidad de semillas de arroz de la var. CR5272, y se estableció la DL-50 en el rango de 300 a 400 Gy, como dosis que podría generar cambios en los rasgos genéticos permitiendo la selección de mutantes en fases iniciales.

Agradecimientos

 

Al programa de Biotecnología vegetal y Recursos Genéticos para el Fitomejoramiento (BIOVERFI) de la Escuela de Ciencias Agrarias (ECA) de la Universidad Nacional (UNA), al Laboratorio de irradiación gamma del Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR) por la irradiación de la semilla y a la Organización Internacional de Energía Atómica (OIEA) por el proceso de formación y capacitación.

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Cultivos Tropicales Vol. 43, No. 1, enero-marzo 2022, ISSN: 1819-4087
 
Original Article

Radiosensitivity of rice (Oryza sativa L. var CR5272) to gamma irradiation in Costa Rica

 

iDMairon Madriz-Martínez*

iDAlexis Fernández-Acuña

iDSilvia Hernandez-Villalobos

iDRafael Orozco-Rodríguez

iDJuan Argüello-Delgado


Escuela de Ciencias Agrarias, Facultad de Ciencias de la Tierra y el Mar, Universidad Nacional de Costa Rica (UNA).

 

*Author for correspondence: mairon.madriz.martinez@una.cr; alexxis-fa@hotmail.com

Abstract

Induced mutations have been used for the genetic plant breeding. A previous step to this is the material radiosensitivity study to be worked on, since it allows observing the effect on the plant material and defining the adequate dose. The aim of this work was to determine the radiosensitivity of rice seeds (Oryza sativa L. var CR5272), subjected to gamma irradiation with 60Co. Seven doses were evaluated: from 100 to 700 Grays (Gy) with increments of 100 Gy, compared with a control without irradiation (T0). The variables were evaluated: at seven days, germination percentage and at 21 days, stem and root length. Variable values decreased as the irradiation dose increased. The highest germination and stem length occurred at 100 and 200 Gy; however, neither had a statistical difference with respect to the control; root length increased by 12.74 %, with 100 Gy irradiation, in relation to the non-irradiated treatment. The median lethal dose (LD50) was established at 674 Gy for germination percentage, 380 Gy for stem length and 274 for root length. The correlation between radiation levels and stem and root length (R=0.92 and R=0.85) was significant, but not for germination (R=0.54). Radiosensitivity was achieved for rice seeds (Oryza sativa L. var CR5272) and a range of 300-400 Gy of irradiation was established as an effective dose, adequate to induce favorable mutations in this variety.

Key words: 
cobalt, LD, plant breeding, mutation

Introduction

 

Rice (Oryza sativa) is considered one of the most important food crops in the world, as it is the staple food for more than half of the world's population. The accelerated population growth, the reduced amount of available resources and land, as well as the climatic uncertainty that causes new breeds of diseases and pests, are a threat to food security; therefore, it is urgent to increase crop diversity with improvements in efficiency, to face future challenges, for which tools have been sought for the modification and genetic breeding of rice, among them the radiation application (1,2).

Ionizing radiation use is a technique that generates alterations in plant material, which allows inducing genetic variability, which is very efficient in obtaining mutants that allow the breeding of crops in specific traits with desired characteristics of agronomic importance (3,4). Gamma rays are a physical mutagenic agent that have a low wavelength and high penetration power, causing genetic mutations in living organisms, which are randomly distributed in the genome (3).

Gamma radiation application is used to extend the genetic variability and create new varieties with superior genotypes in a short time, so that its application is efficient, it must be carried out tests that allow determining the optimal irradiation dose, which will depend on the physical characteristics of the vegetal material, when evaluating the radiosensitivity of tissues to different intensity, what is sought is to become familiar with radiation effects on it, as well as to evaluate the survival percentage of materials to doses (5). There is a greater probability of producing effective mutations for plant breeding with doses where 50 % of the irradiated individuals die, this is known as mean lethal dose (6). On the other hand, the genome suffers multiple impacts with high doses that commonly produce aberrations or negative changes (7).

The effectiveness in the production of mutations decreases as the dose of gamma rays increases (8), since these can cause alteration of physiological characters. The biological effect of gamma rays is due to the interaction of atoms or molecules in the cell, particularly in water, to produce free radicals (9).

These radicals can damage or change important components of plant cells and have been reported to differentially affect plant morphology, anatomy, biochemistry, and physiology, depending on the radiation dose (10).

More than 2200 crop varieties were released at the end of the last century using irradiation mutagenesis; 434 of them are rice varieties (11). In Costa Rica, in the 1990s, this technique was used to obtain the CAMAGO-8 mutant, which was selected for its tolerance to Pyricularia and for its high yield; this variety was planted for several years on growers' farms in the Guanacaste region, until tolerance to the fungus was not maintained (12).

In Costa Rica for the period 2017/2018 the national consumption of milled rice was 239 707 t (13) with a per capita consumption of around 50 kg, it is estimated that world rice consumption by 2020 will be763 million tons, with an increase of 852 million tons by 2035 (14,15), These values reveal the importance of this cereal in the global diet and that of Costa Ricans, making it a fundamental element of food security, which is why it is important to have genetic improvement programs that help to optimize the rice cultivation quality and thus supply future demand. For this reason, the objective of this study was to determine the radiosensitivity of rice seeds of var. CR5272 and the LD50 for this cultivar.

Materials and methods

 

This research was carried out at the facilities of Agricultural Sciences School of the National University (UNA). Seeds of cultivar CR5272 (Oryza sativa cv CR5272) with 92 % germination and moisture between 11-13 % were irradiated with seven doses of gamma rays (100, 200, 300, 400, 500, 600 and 700 Gy) and a control without irradiation.

Seeds were irradiated using a cobalt source (60Co) with an irradiation rate of 60 Gy/minute in a Gammacell of the Gamma Irradiation Laboratory of the Technological Institute of Costa Rica (ITCR according its acronyms in Spanish ), Cartago, Costa Rica. A total of 160 seeds were used for each treatment.

After irradiation, seeds were sown using the wrist method, which consisted of placing the seeds on sheets of newspaper 36.5 cm long x 26 cm wide, with the longest part of the paper 1 cm from the edge and with a spacing of 0.9 cm per seed. Once seeds were placed, the paper was moistened with distilled water and the paper was rolled into a cylinder shape and placed in a 3 liter beaker with water to three quarters of the paper sheet, these were placed in a germination chamber for seven days, the chamber was maintained at 85 % humidity and 30 °C. After germination, all seeds were placed in the greenhouse until 21 days were completed.

A completely randomized experimental design (CRD) was implemented with four replicates per treatment, each replicate consisting of 40 seeds. Each experimental unit consisted of one plant. Seed radiosensitivity was evaluated by means of germination percentage, stem length (from the base to the apex of the longest leaf) and root length (from the base to the most distal part of the longest root) of seedlings. The evaluation was carried out at seven days for germination and at 21 days for stem and root length.

To determine treatment effect on the variables evaluated, an analysis of variance of mean comparison was performed for stem, root and germination length, by means of the LSD Fisher test (p<0.05), using the INFOStat statistical package. The variables were evaluated using a DMR in R to determine the LD50 with a non-linear three-parameter model.

Results and discussion

 

The analysis of variance indicated that irradiation between 100 Gy and 500 Gy did not show significant effects on rice plant germination. At that radiation range, germination was similar to the unirradiated control, with no significant difference (p>0.05) (Figure 1a). In a trial with 13 irradiated rice cultivars, they found that increasing the dose of gamma radiation had no significant effect on seed germination at any dose (16). Radiation increases plant sensitivity to gamma rays, the stimulatory effect of gamma rays on germination may be attributed to RNA activation or protein synthesis and occur during the initial stage of germination after seed irradiation, increasing radiation dose may be responsible for lower germination failure; however, certain genotypes possess different sensitivity to gamma irradiation (16,17).

Different capital letters mean statistical differences. LSD Fisher (p<0.05)
Figure 1.  60Co irradiation of rice (Oryza sativa L.var CR5272) seeds and its effect on: germination percentage (a); stem length (b); root length (c) and sensitivity of CR5272 from 0 to 700 Gy (d).

The 600 Gy and 700 Gy treatments did show significant differences (p>0.05) with respect to the control (radio inhibitory effect) (Figure 1a), at 700 Gy (p<0.0001) the germination percentage decreased up to 66 % (Figure 1d). This agrees with the results obtained when irradiating two rice varieties, the highest dose (500 Gy) caused the greatest inhibition in germination with 53.75 and 51.54 %, respectively, for rice varieties ADT-37 and ADT (R)-45 (18). In another class of grasses, such as weeping grass, germination decreased from 98 to 36 % when increasing the irradiation dose from 300 to 400 Gy, and in African grass it went from 98 % germination in the control without irradiation to values of 1 % when using 900 Gy (19- 21). High doses of irradiation can cause lesions at the genic and chromosomal level that are lethal for the cells in division, causing physiological damages that inhibit the vital functions of cells, such as damage to the embryonic tissues, abnormal cell division and mutation, this can cause the death of the embryo in the seed, which causes a decrease in germination (22,23).

The dose at which germination had the closest value to LD50 was found at 674 Gy according to statistical analysis, in another study for rice variety IBD1 the LD50 was found at dose 564.5 Gy (1), while in a trial with two rice varieties (MRQ74 and MR269) LD50 was found between 351 and 365 Gy, LD50 was at 300.3 Gy and 300 Gy for rice cultivars ADT-37 and ADT (R)-45, respectively; while LD50 for the cultivar Anna (R)4 in India was 376.5 Gy (18,24,25).

Regarding stem height, the data show that the dose increment of 0-200 Gy in radiation, did not present significant differences with respect to the control (p>0.05), but as the irradiation doses increased, the height of the plants decreased; from 300 Gy the decrease in plant height was 28 %, while at a dose of 700 Gy the decrease in height was 87 %. Other results showed that two rice lines (G10 and G16), as well as the cultivar Baas Selem, decreased plant height as radiation was increased from 200 Gy to 500 Gy (2), while in a trial with the varieties ADT-37 and ADT (R)-45 the decrease in height corresponded to 63.15 and 65.37 %, respectively, at the dose of 500 Gy (18). This indicates that high doses of gamma radiation in seeds have a negative effect on plant growth, this may be due to the fact that gamma radiation causes destruction of important compounds for plant development, such as enzymes, auxins and ascorbic acid, which causes damage in the process of cell division and elongation (20,22,26). High doses of radiation can also affect the structure of DNA, causing anomalies in the nucleotide sequence which, in turn, induces defective transcriptions, inactivates protein products, resulting in the vegetative growth inhibition (22,23). The median lethal dose (LD50) for plant length evaluated by statistical analysis was found to be 380 Gy (Figure 1b). In contrast, for the rice variety MR284 LD50 was 400 Gy (27).

According to the analysis of variance, significant differences were found between the control and the 100 Gy treatment (p<0.0001), since the seeds irradiated with this dose presented the greatest root length (Figure 1c). This same situation occurred in other crops such as tomato, where a positive response to irradiation was observed in root length of 37 %, in relation to the control at low doses, while in a study with sunflower plants for oil production, 200 Gy dose was the one that induced the greatest stimulation in the root length indicator; likewise, in forest trees, a significant improvement in root length was observed at low radiation doses (28-30).

It has been demonstrated that radiation at low doses is elemental in plants, since it can increase their stimulation and development, by using with greater efficiency the biochemical-metabolic pathways by means of free radicals, ions and excited molecules (31), this causes radioresistance in plants, which is the repair capacity of their system to overcome the harmful effect of stressors and their successful establishment in adverse conditions (29).

As with the previous two variables, in the present study with rice, a reduction in root length was observed as the gamma dose was increased from 300 Gy. The smallest root length (0.25 cm) occurred at 700 Gy and was 97.8 % smaller than the control size (p<0.0001). In another rice study with the Anna (R) variety, root length was reduced by 73.32 % with the 400 Gy dose, in the rice varieties ADT-37 and ADT (R)-45 root length also decreased, as radiation doses increased, the greatest root reduction was observed at the highest dose of 500 Gy, with 66.81 and 64.73 % reduction, respectively (18,25). On the other hand, exposure to high radiation can cause chromosomal damage, which results in cells that cannot develop well and therefore do not favor plant development and growth, high radiation doses also reduce mitotic activity in meristematic tissues and reduction of moisture content in seeds, leading to a reduction in root length (25,32). The mean lethal dose for root length was 274 Gy (Figure 1c), according to statistical analysis. In contrast, for two pumpkin varieties, the LD50 was found to be at a dose of 161-177 Gy, based on root length (33). However, for other crops higher doses are required, as in millet the LD50 was given at 500 Gy (6).

The results of the present study indicate that, of the three parameters studied, stem length and root length can be used with the same reliability to estimate the appropriate doses of gamma irradiation for the treatment of rice seeds in a breeding program. The germination indicator is excluded, because its LD50 is at the 674 Gy dose which was one of the highest and where germination was decreased by 66 %, apart from the fact that this radiation dose significantly affected the other two parameters (Table 1). Therefore, it was decided to establish a range, comprising the weighted average of the parameters, stem length and root length, and it was determined that the LD50 for the cultivar CR5272 (Oryza sativa L. spp. Indica cv CR5272) is in the range of 300 to 400 Gy, which is very similar to that established in other rice varieties, found between 280 Gy and 350 Gy (34). With the range established for cultivar CR5272, it will be possible to obtain the greatest amount of useful mutants, with minimal damage to plant survival.

Table 1.  Summary of LD50s obtained from dose-response analysis by nonlinear model for each parameter.
Parameter LD50 (Gy) S.E T-Value P-Value
4- Germination 674,17 8,5136 79,1879 2,2e-16 ***
5- Stem 380,81 7,157919 53,201 2,2e-16 ***
6- Root 274,12 6,45163 42,489 2,2e-16 ***

Significant codes: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

Conclusions

 

This study made it possible to determine the radiosensitivity of rice seeds of var. CR5272, and the LD50 was established in the range of 300 to 400 Gy, as a dose that could generate changes in the genetic traits allowing the selection of mutants in initial phases.

Acknowledgments

 

The Plant Biotechnology and Genetic Resources for Plant Breeding (BIOVERFI) program of the School of Agricultural Sciences (ECA) of the National University (UNA), the Gamma Irradiation Laboratory of the Technological Institute of Costa Rica (ITCR) for the irradiation of the seed and the International Atomic Energy Agency (IAEA) for the training and education process.