Localización, material vegetal y condiciones de crecimiento

El experimento se realizó en una casa de malla de 125 m² en la estación experimental de la Universidad del Valle, Cali, departamento del Valle del Cauca (Colombia). El sitio se ubica a una altitud de 967 m s. n. m., y tiene condiciones ambientales tropicales subhúmedas, con una temperatura promedio anual de 26 °C y una humedad relativa del 65 %. Las semillas de ají Tabasco se cultivaron en bandejas con turba durante 30 días, con el fin de obtener plántulas vigorosas y uniformes para el trasplante en macetas. Por otro lado, semillas de rábano rojo de la variedad Crimson Giant y de maíz amarillo de la variedad ICA V-305 se sembraron directamente en macetas que contenían 10 kg de suelo limo-arcilloso, previamente homogenizado y tamizado, con un pH de 6,79 y un contenido de materia orgánica de 2,57 %. Se instaló un sistema de riego por goteo, con una tubería de 5 mm conectada a un emisor por cada maceta, con un caudal de 3 L/h. El agua de riego se pasó a través del imán con un caudal de 2,8 L/min. El agua se obtuvo de la empresa de servicios municipales, con las mismas especificaciones para el consumo humano. El riego se programó de acuerdo con la evapotranspiración de referencia establecida para los cultivos evaluados.

Tratamiento magnético del agua

El tratamiento magnético del agua se efectuó usando un imán Quantum Biotek (Omni Enviro Water Systems, Australia) conectado al sistema de riego, antes de la derivación a los goteros de cada maceta. Este dispositivo es un cilindro de policarbonato de 12 centímetros de largo con un diámetro interno de una pulgada. El imán genera un campo magnético que varía de 0 a 156 mT (militeslas), que aumenta a lo largo y alrededor de la circunferencia del cilindro. ^{Grewal y Maheshwari (2011)} ofrecen más detalles sobre este dispositivo. La inducción magnética se midió con un Teslameter LD Didactic GmbH (Huerth, Alemania).

Determinación de la fluorescencia de clorofila

Se realizaron mediciones de fluorescencia de clorofila en las primeras tres hojas jóvenes completamente expandidas y expuestas al sol, una vez por semana en cada planta durante la temporada de crecimiento de cada cultivo. Estos valores se registraron usando un fluorómetro OS30p+ (Opti-Sciences Inc., EE. UU.), para mediciones adaptadas a luz y a oscuridad. La adaptación oscura se logró cubriendo las hojas con clips durante 30 minutos. Los parámetros de fluorescencia se calcularon de acuerdo con ^{Baker (2008)} , de la siguiente manera:

Intercambio de gases, acumulación de biomasa y composición elemental

La tasa de fotosíntesis (A), la transpiración (E) y la conductancia estomática (Gs) se midieron en las mismas tres hojas jóvenes completamente expandidas y expuestas al sol, usando un sistema fotosintético manual CI-340 (CID Bio-Science, EE. UU.). Las mediciones se realizaron entre las 11 a. m. y las 3 p. m., en condiciones de luz, humedad, concentración atmosférica de CO₂ y temperatura normales para la zona, durante la temporada de crecimiento de cada cultivo. En cada tiempo o momento de muestreo, la intensidad de la luz se registró con un sensor cuántico LI-190SA adaptado a un registrador de datos LI-1400 (LI-COR, Inc., EE. UU.). La eficiencia de uso del agua (EUA) se calculó dividiendo la asimilación de CO₂ (A) por su correspondiente transpiración de H2O (E).

En cuanto a la acumulación de biomasa, las plantas de rábano y maíz se cosecharon 40 y 90 días después de la siembra, respectivamente, separando los rizomas y las hojas en el caso del rábano, y el total de mazorcas, las cariópsides y la tusa en el caso del maíz. En lo que respecta al ají Tabasco, los frutos se cosecharon cuatro veces, desde el quinto hasta el octavo mes después del trasplante. Los frutos secos se enviaron a los laboratorios Agrilab en Bogotá (Colombia), para un análisis de su composición mineral. Después de esto, se separaron las partes aéreas de las plantas (tallos y hojas). Todas las muestras de las tres especies se pesaron tanto frescas como secas, midiéndose el peso seco después de secar las muestras en un horno, a 65 °C durante 72 horas. En el rábano y el ají Tabasco, el área foliar (AF) se estimó a partir del peso seco de un disco de hoja de 0,81 cm de radio, y extrapolándolo al peso seco total de las hojas. Además, la relación del área foliar (RAF) del ají Tabasco se calculó en relación con el peso seco de frutos (ecuación 1), ya que son un sumidero de fotoasimilados y las hojas son su fuente. En lo que se refiere al rábano, el cálculo se realizó teniendo en cuenta todo el peso seco de la planta (ecuación 2).

(Ecuación 1)

Relación de área foliar (RAF) para ají Tabasco = AF/PSF (cm²/g)

(Ecuación 2)

Relación de área foliar (RAF) para rábano = AF/PST (cm²/g)

Donde:

PSF = peso seco del fruto de ají Tabasco

PST = peso seco de toda la planta de rábano

Es importante tener en cuenta que el área foliar y la relación del área foliar no se calcularon para el maíz, porque los insectos dañaron muchas hojas antes de la cosecha.

Diseño experimental y análisis estadístico

El experimento se realizó con un diseño completa mente aleatorizado, con 38 réplicas por tratamiento (ATM) y un control (agua no tratada) en ají Tabasco y rábano, y 21 en maíz. Cada réplica consistió en una planta en cada maceta. Los datos se analizaron con el programa estadístico IBM SPSS Statistics 22, ejecutando previamente una prueba de homoge neidad de varianzas y normalidad. También se llevó a cabo un procedimiento de modelo lineal general para mediciones repetidas de los parámetros de fluorescencia de clorofila, probando la significancia entre los sujetos y dentro de ellos. Únicamente para la medición de la biomasa final se aplicó una prueba de comparación de medias. En el análisis estadístico solo se incluyeron los datos para las variables de intercambio de gases a las mismas intensidades de luz.

Parámetros de fluorescencia y contenido de clorofila

La interacción entre las diferentes medidas de fluorescencia de clorofila de las plantas con agua tratada magnéticamente (ATM) fue consistente mente similar a la encontrada en las plantas del tratamiento control. En el maíz, la fluorescencia máxima (F_m) de las hojas adaptadas a la oscuridad fue ligeramente mayor en las plantas tratadas. En cuanto a la fluorescencia mínima (F₀) y la extinción no fotoquímica (NPQ), dentro de las tres especies todos los valores del atm y el control fueron prácticamente los mismos. Con respecto a la eficiencia cuántica máxima de la fotoquímica del PSII (F_v /F_m ), solo el rábano mostró una disminución mínima, mientras que en la línea base del rendimiento cuántico (F₀ /F_m ) se observó el efecto opuesto. Además, la interacción de los tres parámetros previos entre las tres especies resultó ser muy significativa (tabla 1).

Tabla 1 Parámetros por tratamiento de fluorescencia de clorofila en ají Tabasco, rábano rojo Crimson Giant y maíz ICA V-305 

^** p < 0,05. Todos los valores son medias ± error estándar de 38 plantas de ají Tabasco y de rábano, así como 21 de maíz. ATM: agua tratada magnéticamente; Ua: unidades de absorbancia; NPQ: extinción no fotoquímica.

Fuente: Elaboración propia

Autores como ^{Baker (2008)} han reconocido la emisión de fluorescencia de la clorofila como un indicador confiable del estrés de la planta y el rendimiento fotosintético. En este estudio, se reportó que la interacción entre los cinco parámetros de fluorescencia medidos (F_m, F₀, F_v/F_m, F₀/F_m y NPQ) y el tratamiento con ATM no fueron estadís ticamente diferentes, comparados con el control. A partir de este resultado, podemos inferir que el tratamiento implementado en este experimento no es una fuente de estrés en sí mismo, ya que los valores F_v/F_m para maíz (0,727) y rábano (0,800) estuvieron cerca de aquellos del rango normal para plantas C4 y C3 no estresadas (0,780 y 0,830, respectivamente) (^{Pfündel, 1998}). Sin embargo, las lecturas de Fv/F_m de este estudio para ají Tabasco (0,761) fueron inferiores a las publicadas para plantas de ají con diferentes métodos de cultivo (0,809) (^{Del Amor, 2006}). Lo anterior indica que las condiciones en la casa de malla podrían ser un tanto severas, en particular para esta especie.

A pesar de esto, la NPQ no exhibió un cambio significativo en las tres especies probadas con atm, lo que significa que, como resultado de este tratamiento, no hubo un aumento en la extinción del exceso de luz a través de la disipación de calor, lo que sí hubiera constituido una medida de estrés. Además, previamente se ha informado que un deterioro o una promoción en el proceso de escisión del agua en el PSII deberían notarse en el rendimiento de la fluorescencia. Por ejemplo, en plantas mutantes de tabaco que carecen de un polipéptido específico en su aparato de escisión de agua en el PSII, exhiben valores de fluorescencia mínima (F₀) más altos y de fluorescencia variable (Fv) casi equivalentes a cero (^{Hager, Hermann, Biehler, Krieger-Liszkay, & Bock, 2002}). Dado que no se observaron diferencias significativas entre el control y las plantas tratadas en los parámetros de fluorescencia, este estudio sugiere que el ATM no es metabólicamente susceptible a una división diferencial en el complejo oxidante del H₂O.

Acumulación y rendimiento de biomasa

La biomasa aérea final y el rendimiento de frutos de ají Tabasco en plantas sometidas al atm fueron consistentemente mayores en comparación con el control. El peso fresco de frutos y el número de frutos por planta fueron mayores en las plantas tratadas en un nivel significativo. El aumento en estos parámetros fue del 27 % y del 31 %, respectivamente, mientras que el incremento en el peso seco del fruto fue del 18 % (figura 1a). Los pesos fresco y seco de hojas y tallos también aumentaron en las plantas cultivadas con atm, pero en un nivel de significación menor, que osciló entre el 13 % para el peso fresco de las hojas y el 15 % para su peso seco, el 14 % para el peso fresco de los tallos y el 12 % para su peso seco (figura 1b). El área foliar y la relación del área foliar sufrieron un aumento (15 %) y una disminución (5,5 %), respectivamente (figuras 1c y 1d).

Fuente: Elaboración propia

Figura 1 Acumulación de biomasa en plantas de ají Tabasco. a. Rendimiento de frutos. PFF: peso fresco de frutos (sig. = 0,034**); PSF: peso seco de frutos (sig. = 0,125); F/planta: frutos por planta (sig. = 0,018**). b. Biomasa final aérea. PFH: peso fresco de hojas (sig. = 0,274); PSH: peso seco de hojas (sig. = 0,214); PFT: peso fresco de tallos (sig. = 0,208); PST: peso seco de tallos (sig. = 0,197). c. Área foliar (AF) (sig. = 0,214). d. Relación de área foliar (RAF) (sig. = 0,352). Todos los valores son medias de 39 plantas. 

Por otra parte, el área foliar y el peso seco de frutos mostraron una relación positiva a partir de un modelo lineal por mínimos cuadrados (figura 2), tanto en plantas tratadas como no tratadas. Sin embargo, a pesar de la mayor área foliar observada en plantas de ají Tabasco sometidas al ATM, esta variable no explicó completamente la variación en la acumulación de biomasa seca en frutos, ya que el coeficiente de determinación (r ² ) solo alcanzó el 29,89 % de la variación. En contraste, para las plantas control, este valor (52,16 %) fue de casi el doble en comparación con el encontrado en las plantas tratadas.

Fuente: Elaboración propia

Figura 2 Variación en peso seco de frutas (PSF) por planta en relación con el área foliar (AF) en plantas de ají Tabasco. 

El análisis de la composición de elementos en frutos secos de ají Tabasco mostró que varios nutrientes aumentaron su concentración con atm, en comparación con el control (tabla 2). Entre ellos, el nitrógeno, el calcio, el magnesio, el azufre, el manganeso y el zinc presentaron los mayores incrementos, siendo significativos los valores del nitrógeno y el zinc. Por su parte, el potasio y el boro se mantuvieron prácticamente iguales en ambos grupos de plantas. En cuanto al fósforo, el hierro, el cobre y el sodio, experimentaron disminuciones con el ATM, pero en niveles de significancia más bajos. El aumento en el calcio y el magnesio también se observó en la saturación de estos cationes, mostrando valores más altos con el atm, a excepción del potasio, que exhibió una saturación más baja. Todas las relaciones entre los cationes con atm fueron mayores, así como aquellas entre N y P, y entre Ca y B. Sin embargo, la relación entre N y S fue casi la misma en los dos grupos de plantas, y aquella entre Fe y Mn mostró una reducción.

Tabla 2 Composición de elementos en frutos secos de ají Tabasco 

*p < 0,1; **p < 0,05. DE: desviación estándar. Los datos son valores medios de nueve muestras. Las unidades de concentración están en función del peso seco.

Fuente: Elaboración propia

Por otro lado, en las plantas de rábano rojo Crimson Giant, se observó una tendencia opuesta respecto a la acumulación de biomasa. La biomasa final en hojas y tallos (incluidos los rizomas) experimentó una disminución en las plantas cultivadas con ATM. Sin embargo, esta tendencia no fue tan significativa como el aumento de la biomasa observado en las plantas de ají Tabasco (figura 3a). El área foliar y la relación del área foliar de las plantas de rábano con el agua no tratada también fueron ligeramente más altas en comparación con las plantas tratadas (figura 3b).

Fuente: Elaboración propia

Figura 3 Acumulación de biomasa en plantas de rábano rojo Crimson Giant. a. Biomasa final total. PFH: peso fresco de hojas (sig. = 0,858); PSH: peso seco de hojas (sig. = 0,859); PFT: peso fresco de tallos (sig. = 0,863); PST: peso seco de tallos (sig. = 0,863). b. Relación del área foliar y área foliar. AF: área foliar (sig. = 0,791); RAF: relación del área foliar (sig. = 0,680). Todos los valores son medias de 39 plantas. 

En lo que respecta al rendimiento de mazorcas de plantas de maíz ICA V-135, el ATM produjo un efecto similar al observado en aquellas de ají Tabasco, ya que el peso total de la mazorca y su número de granos se incrementaron con este tratamiento. Sin embargo, el peso de cien granos fue prácticamente igual al encontrado en las plantas de control (figura 4). El aumento en el peso y los granos por mazorca fue del 13 % y del 5,3 %, respectivamente.

Fuente: Elaboracion propia

Figura 4 Cosecha de mazorcas en plantas de maíz ICA V-135. PM: peso de la mazorca (sig. = 0,127); P100G: peso de 100 granos (sig. = 0,157); G/M: granos por mazorca (sig. = 0,762). Todos los valores son medias de 21 plantas. 

El efecto del ATM en la acumulación de biomasa solo fue consistente en plantas de ají Tabasco y maíz ICA V-135. Los mayores rendimientos de biomasa reportados en las plantas tratadas en este estudio concuerdan con los resultados obtenidos por otros autores que utilizaron el mismo dispositivo magnético en apio y guisantes (^{Maheshwari & Grewal, 2009}). El efecto más significativo del atm se encontró en plantas de ají Tabasco, en lo que se refiere al número y el peso fresco de frutos por planta, aunque también aumentaron los pesos fresco y seco de hojas y tallos; más aún, esto afectó a su vez al AF y a la RAF. Dado que el área foliar verde y expuesta a la luz es la fuente de fotoasimilados para toda la planta, esta característica se relaciona frecuentemente con la acumulación de biomasa en otros órganos de la planta. Autores como ^{Graber et al. (2010)} observaron esta relación en pimentón dulce cultivado en un sustrato de biochar. Una mayor área foliar significa más intercepción de luz, un factor muy importante, que afecta el crecimiento de la planta incluso más que la fotosíntesis neta (^{Kang & Van Iersel, 2004}). Sin embargo, cuando se contrastó el rendimiento de frutas con el AF por regresión lineal, hubo un ajuste parcial. Este resultado evidencia que la acumulación de biomasa seca en frutos solo se correlacionó en parte con el área foliar, en particular en plantas sometidas al atm. Esta diferencia se atribuye al efecto del tratamiento, que conduce a mecanismos fisiológicos adicionales que desencadenan esta respuesta. Por lo tanto, es posible que, no solo el AF, sino también la fotosíntesis neta, hayan contribuido a aumentar el número y el peso de frutos del ají Tabasco. Esto es consistente con los valores de la RAF más bajos encontrados en estas plantas, que a su vez fueron una consecuencia del mayor peso seco de frutos, en lugar de una dismi nución del área foliar. Viéndolo desde otro ángulo, esto significa que las plantas de ají Tabasco sometidas al atm crearon más biomasa seca de frutos por unidad de AF, siempre y cuando estos fueran un sumidero de fotoasimilados.

Por el contrario, la disminución en el AF y en la RAF que se observó en las plantas de rábano rojo Crimson Giant con atm se asoció con una menor biomasa fresca y seca en hojas y tallos, aunque se encontró que este efecto no fue significativo en un nivel razonable (p > 0,680). El patrón observado en el maíz ICA V-305 es que el peso y los granos por mazorca de las plantas tratadas fueron superiores a los de sus contrapartes del control; esto indica que el aumento en el peso de la mazorca se debió principalmente al desarrollo de más granos por unidad, en lugar de un incremento en la acumulación de biomasa en las cariópsides. Este es un hallazgo importante, ya que, en el maíz, estos parámetros son muy sensibles a la densidad de siembra, y es más probable que dismi nuyan cuando la población de plantas por unidad de área aumenta (^{Bavec & Bavec, 2002}). Por lo tanto, se sugiere que, en relación con el rendimiento del maíz, podría haber una interacción positiva entre el atm y diferentes densidades de cultivos.

Adicionalmente, los diferentes patrones en la composición de elementos en frutos del ají Tabasco indican que el atm mejora la absorción de varios de estos, en particular N y Zn. Aunque no se realizó un análisis de capsaicina, la concentración mayor de nitrógeno podría indicar un mayor contenido de alcaloide (capsaicina) o proteínas. En el ají, la captación de cationes (K, Ca, Mg y Na) y su concentración en brotes y raíces se ve afectada por la fuente de nitrógeno y los niveles de salinidad del sustrato (^{Huez-López, Ulery, Samani, Picchioni, & Flynn, 2011}). En el presente estudio se reporta que los porcentajes de Ca y Mg fueron siempre mayores en las plantas tratadas, y que el Na disminuyó en más del 20 %, sin ninguna adición de fertilizantes. Estos resultados son contrarios a los reportados por ^{Maheshwari y Grewal (2009)} , quienes encontraron una reducción de Ca y Mg, y un aumento de Na en las vainas de guisantes, usando el mismo dispositivo magnético con agua potable. En cualquier caso, los hallazgos de esta investigación sugieren que hay una mayor absorción de cationes divalentes, como Ca, Mg y Zn (que tienen una movilidad menor que los monovalentes), a expensas del Na; esto explica por qué la saturación de K fue menor, aunque su concentración no se redujo.

Mediciones de intercambio de gases

En las tres especies evaluadas, la tasa de fotosíntesis (A) exhibió un comportamiento incremental con el riego con atm. Este efecto fue significativo en las plantas de maíz ICA V-305, y solo un poco mayor en el rábano rojo Crimson Giant y el ají Tabasco. Este aumento en la tasa de fotosíntesis se asoció con una mayor transpiración, particularmente en plantas de maíz ICA V-305 y ají Tabasco. De manera concomitante con estos efectos, la conductancia estomática sufrió un aumento en todas las especies en tratamiento con atm, aunque esta respuesta no fue muy significativa. A pesar del aumento del liberado por las hojas, en las tres especies analizadas la eficiencia en el uso del agua no experimentó ninguna variación significativa en las plantas tratadas, en comparación con los controles (tabla 3).

Tabla 3 Parámetros de fluorescencia de clorofila por tratamiento en ají Tabasco, rábano rojo Crimson Giant y maíz ICA V-305 

** p < 0,05. ATM: agua tratada magnéticamente; A: tasa fotosintética; Gs: conductancia estomática; E: transpiración; EUA: eficiencia en el uso del agua. Todos los valores son medias de 38 plantas de ají Tabasco y de rábano, y 21 de maíz.

Fuente: Elaboración propia

El aumento en la acumulación de biomasa en plantas en tratamiento con ATM podría ser consecuencia de una mayor absorción de CO₂, sobre todo en las de maíz ICA V-05. Dado que este parámetro está fuertemente correlacionado con la conductancia estomática y la transpiración, el incremento de la tasa fotosintética se atribuye a la mayor apertura estomática que se observó en esta especie. Sin embargo, la comprensión de la manera en la que el ATM provoca este efecto se basa en la interacción física entre el agua y el sistema estomático. Varios autores han informado que el ATM tiene una mayor tasa de evaporación (^{Guo et al., 2012}; ^{Szcześ, Chibowski, Hołysz, & Rafalski, 2011}). No obstante, considerando que en las plantas de maíz ICA V-305 sometidas al ATM en este estudio también se observó una mayor transpiración de agua a vapor, se sugiere que esta fuerza de evaporación desencadena una apertura estomática más amplia, que a su vez conduce a una mayor entrada de CO₂. Esto podría explicar por qué la eficiencia del uso del agua no disminuyó con este tratamiento y, siempre que sea concomitante con una mayor transpiración, habrá una tasa fotosintética más alta. Aun así, no se puede ignorar la posibilidad de que este tratamiento incremente la velocidad del agotamiento del agua en el suelo. La falta de respuesta al ATM de los parámetros de intercambio de gases en las plantas de rábano rojo Crimson Giant explica por qué el rendimiento de biomasa por planta no se vio afectado.