Efecto del frío sobre la germinación de dos variedades de avena (Avena sativa L.)

Abstract

El frío retarda la germinación de numerosas especies cultivadas. Dentro de una misma especie, se han descrito variedades con tolerancia diferencial al frío durante la fase de germinación. Existe escasa información sobre la fisiología de la respuesta al frío durante este estado de la ontogenia. En esta tesis se propuso, como una primera aproximación experimental, que las variedades tolerantes presentarían durante la germinación mecanismos de tolerancia similares a los documentados para otros estados del ciclo de vida de la planta. Los mecanismos fisiológicos asociados a la tolerancia al frio en el estado de plántula y planta adulta son la acumulación de solutos compatibles, el cambio de propiedades y características de las membranas celulares, la aparición de nuevas proteínas, menor daño por estrés oxidativo y mayor tasa metabólica. Esta hipótesis se puso a prueba utilizando como modelo experimental a la Avena sativa (Graminae), debido al conocimiento de su comportamiento frente al frío en el estado de plántula. A partir de un grupo de siete variedades de A. sativa, se seleccionaron dos que germinaron en forma contrastante según indicadores que consideran el tiempo de germinación y se clasificaron como Tolerante y Susceptible. Las dos variedades seleccionadas no presentaron daño por frío durante la fase de imbibición y tuvieron una prolongación de la fase de pre-germinación con temperaturas inferiores a 17°C. No hubo correlación entre la tolerancia al frío medida por los indicadores de tolerancia al frío y la tolerancia al congelamiento en los estados de aparición de coleorriza (1-2 mm) y de radícula (1 cm). La actividad amilasa total se redujo con el frío en la variedad Tolerante (30%) y en la Susceptible (50%) en los dos estados de desarrollo considerados. Ambas variedades tuvieron el mismo patrón de acumulación de solutos compatibles en el embrión: en la etapa de coleorriza se acumularon azúcares solubles y en la etapa de radícula se acumularon prolina y fructanos (GP>6) en respuesta a los tratamientos de 10 y 3°C. La variedad Tolerante acumuló más fructanos (30%) y más sacarosa (50%) que la Susceptible. Al mismo tiempo, la tasa metabólica medida como consumo de oxígeno durante la pre-germinación fue el doble en la Tolerante (1,640 nmołO2/min x embrión) respecto a la variedad Susceptible (0,820 nmolO2/min x embrión), diferencia que se mantuvo hasta la elongación de la radícula. Esto implica mayor producción de calor en la variedad Tolerante. La respiración por la vía alternativa alcanzó entre el 10 y el 20%. Ambas variedades sufrieron estrés oxidativo, pero la variedad Tolerante mostró menos lipoperoxidación (<20% a 3°C) y mayor capacidad antioxidante (200% a 3°C) que la Susceptible en el período de la elongación de la radícula. No se detectaron cambios en la fluidez de las membranas microsomales y composición porcentual y grado de insaturación de los ácidos grasos de la fracción polar de los embriones en ninguna de las dos variedades. Se concluye que la mayor tolerancia de los embriones de avena se asocia con la mayor tasa respiratoria desde la pre-germinación y con menor daño por estrés oxidativo en una fase tardía de la germinación. Los solutos compatibles no se asociaron claramente con la tolerancia al frío en esta etapa. La ausencia de cambios en las propiedades dinámicas de la membrana y en su composición, sugiere que algunas respuestas de tolerancia al frío son comunes en distintas fases del ciclo de vida de la planta, mientras que otros pueden ser diferentes. Los indicadores agronómicos de tolerancia al frío durante la germinación consideran la variable temporal, no obstante, no existe correlación con algunos parámetros fisiológicos de tolerancia al frío.

Cold stress reduces seed germination of many cultivated plants. For a given crop species there are some genotypes may show greater tolerance to low temperature during germination than others. Physiological responses that could explain this difference have not been explored during this ontogenetic phase. As a first experimental approach to this problem, in this work I proposed to investigate whether the same tolerance mechanisms found in later phased of the life cycle operate during the germination phase. The mechanisms linked with cold stress tolerance in seedling or adult phases are solute accumulation, increased membrane fluidity associated with a higher insaturation index, newly sinthetized proteins, higher metabolic rate and lower damage from oxidative stress. We studied these mechanisms in germinating seeds of Avena sativa, because this species has known responses to cold stress during seedling and adult phases. From a group of seven cultivars of A. sativa, two cultivars with contrasting cold tolerance during germination were selected for study (Tolerant and Sensitive). Neither of these cultivars showed damage during imbibition. Cold stress induced the extension of phase II of the germination process. Cold tolerance during germination was not correlated with freezing tolerance at coleorhiza (1-2 mm) or at radicle (1 cm) stages. Total amilase activity was reduced to lesser degree in the Tolerant cultivar in both developmental stages. The accumulation of compatible solutes in the embryo was the same for both cltivars. During coleorhiza stage total soluble sugars accumulated at low temperature and in the radicle stage proline and fructans accumulated with cold. Tolerant cultivar had more fructans (DP>6) (30%) and sucrose (50%) than Sensitive cultivar. Metabolic rate measured as oxygen consumption was twice higher for Tolerant cultivar than in the Sensitive type from the pre-coleorhiza stage until radicle emergence. This implies more heat production in the Tolerant than in the Sensitive cultivar. Alternative pathway was 10 to 20%. The Tolerant cultivar was less injured by oxidative stress due to lipoperoxidation (<20% at 3°C) and more catalase activity (200% at 3°C) than the Sensitive cultivar during radicle emergence. No changes were detected between cultivars in membrane fluidity, composition and insaturation degree of fatty acids of the membrane. According to these results, tolerance to cold stress during germination may be a result of a higher oxygen comsuption and higher resistance to oxidative stress. Compatible solutes were not obviously associated with cold tolerance during germination. The absence of changes in properties and structure of membranes suggests that some responses relevant in other phases of plant development may not be present during germination.