RESPUESTA ELECTROFISIOLOGICA DE LA PLANTA DE

AGUACATE (Persea americana Mill.) AL ESTRÉS HÍDRICO

ELECTROPHYSIOLOGICAL RESPONSE OF THE AVOCADO PLANT (Persea

americana Mill.) TO WATER STRESS.

L Rios-Rojas 1 L Gurovich2

1Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria – Agrosavia C.I. Palmira. Palmira,

Valle del cauca (Colombia).

2. Pontificia Universidad Católica de Chile. Santiago (Chile).

Correo electrónico: lriosr@agrosavia.co

Resumen

Las plantas responden diferencial y rápidamente a estímulos ambientales mediante señales

eléctricas, optimizando así sus procesos fisiológicos de adaptación. Este comportamiento fue

medido y usado como indicador del estado hídrico de las plantas, al someterlas a déficit hídrico

durante periodos prolongados de tiempo. El experimento se desarrolló entre octubre 10 y

noviembre 15 de 2013, en la Pontificia Universidad Católica de Chile, en cuatro especies leñosas

frutales: Citrus limon, Persea americana, Prunus domestica y Prunus persica. Para las

mediciones se utilizó un multivoltímetro Keithley y un sensor electrofisiológico. Se midieron

simultáneamente el contenido de humedad del suelo y variables climáticas; parámetros que fueron

relacionados con el potencial eléctrico, para identificar el efecto del estrés hídrico inducido. Se

encontró que el potencial eléctrico presentó un ciclo Circadiano en las plantas experimentales,

con un máximo y un mínimo que se corresponden en magnitud en el tiempo y que este ciclo se

altera en su amplitud y frecuencia cuando la planta se somete a déficit hídrico y sufre estrés. El

ciclo recupera su comportamiento “normal” cuando la planta vuelve a ser hidratada. Así, el

comportamiento eléctrico de la planta puede ser usado como una herramienta para el manejo de

precisión del riego, indicando cuándo regar, más no indica el volumen a regar, así que es necesario

medir simultáneamente la humedad del suelo. Finalmente, los resultados aquí obtenidos no

pueden ser generalizados a otras especies leñosas, debido a sus diferencias fisiológicas y

morfológicas y por tanto investigación en otras especies sería necesaria.

Abstract

Plants react differently and quickly to environmental stimuli through electrical signals in order to

optimize their physiological adaptation processes. This behavior was measured and used as an

indicator of plant water status, when subjected to water stress for prolonged periods of time. The

experiment was conducted between October 10th and November 15th, 2013, at the Pontifical

Catholic University of Chile, on four woody plant species: Citrus lemon, Persea americana,

Prunus domestica and Prunus persica. Measurements were carried out using a Keithley

multivoltimeter and an electrophysiological sensor. Soil moisture content and climatic variables

were measured simultaneously; the latter parameters which are related to the electric potential

used to identify the effect of water stress. It was found that the electric potential showed a

circadian cycle in the experimental plants with a maximum and a minimum corresponding in

magnitude over time; this cycle was altered in its amplitude and frequency when the plant was

subjected to stress by water deficit. The cycle returned to its "normal" behavior when the plant

was hydrated again. Thus, the electrical behavior of the plant can be used as a tool for handling

precision irrigation, indicating when to water, but does not indicate the volume to water that is

needed, thus it is necessary to measure soil moisture simultaneously. Finally, the results obtained

in this study can’t be generalized to other woody species, due to physiological and morphological

differences amongst species and therefore it is necessary to conduct further studies on other

species.

Palabras Claves: Potencial eléctrico, estrés hídrico, riego, Persea americana.

Introducción

Las plantas responden eléctricamente a estímulos del medio ambiente (Burdon-Sanderson, 1873;

Darwin, 1896), como un rápido ajuste fisiológico para adaptarse (Fromm, 2006). Respuestas

eléctricas (PE, potencial eléctrico) frente a diferentes estímulos bióticos y abióticos han sido

reportados: respiración, fotosíntesis y fototropismo (Volkov y Ranatunga 2006; Pavlovic y

Macuso, 2011), inducción floral (Wagner et al., 2012), presión osmótica (Schroeder y Hedrich,

1989), mecanismos de defensa a daño por herbívoros (Fromm y Lautner, 2007; Volkov y

Ranatunga, 2006, Heil y Ton, 2008), daño mecánico y por insectos (Brenner et al., 2006),

intensidad de la luz (Cabral, 2011, Volkov, et al., 2012), temperatura (Kai, et al., 2011, Cabral,

2011), estimulación mecánica (Volkov y Ranatunga, 2006), disponibilidad hídrica (Brenner, et

al., 2006, Gurovich y Hermosilla, 2009; Oyarce y Gurovich, 2010; Ríos-Rojas et al 2014, 2015).

Estos y otros estímulos han sido reportados en Fromm y Lautner (2007), Baluška y Mankuso

(2009), y Gurovich (2012). Las señales se expresan como potenciales de acción (PA) y

potenciales de variación (PV) y su magnitud será tan alta como intenso haya sido el estímulo

(Volkov et al, 2012; Wang et al, 2009). La señal generada puede viajar largas distancias y se da

principalmente por las conexiones simplásticas del floema (Bose, 1926; Van Bel y Ehlers, 2005).

El floema se convierte en un sistema de comunicación electroquímica, operando como una red

neuronal simple (Mancuso, 1999; Zimmermann et al, 2009; Fromm y Lautner, 2012; Volkov,

2012). Pruebas de transmisión de señales a altas velocidades indican que existen señales

diferentes a señales hidráulicas (Mullendore et al, 2010) y hormonales (Rodríguez et al., 2011;

Fromm, 2006; Gibert, 2006) que generan ajustes fisiológicos instantáneos. Gibert (2006) en sus

experimentos con Populus trichocarpa, reporta la relación del PE con cambios en el flujo de

savia, concluyendo que la señal se propaga por el floema en cortas y largas distancias, y que es

posible correlacionarlos con cambios en las tasas fotosintéticas. Grams et al. (2007) observaron

incrementos en la conductancia estomática en Zea mays, después de una rehidratación, midiendo

simultáneamente la transmisión de un señal eléctrica a una velocidad de 1 cm.s-1. Señalamiento

eléctrico en especies leñosas con la alternancia de luz/oscuridad y disponibilidad hídrica han sido

reportado por Gil et al. (2009); Gurovich y Hermosilla, (2009); Oyarce y Gurovich, (2011); Ríos-

Rojas et al (2014, 2015). Haciendo uso del comportamiento eléctrico de plantas leñosas, y su

asociación con la respuesta al estrés, fue posible usar este tipo de señal como un indicador del

estado hídrico de la planta, en tiempo real, para ser recomendado en el manejo agronómico y

preciso del riego.

Materiales y Métodos

El experimento se desarrolló en la unidad de invernaderos de la Pontificia Universidad Católica

de Chile, en Santiago de Chile. Se contó con cuatro jaulas Faraday, en cada una de las cuales se

tenían 10 plantas de una especie diferente: Persea americana, Prunus domestica, Citrus limón y

Prunus persica. Las plantas se instalaron en materos de 20L, con un fondo de grava y perlita

como sustrato altamente drenante, para llegar rápidamente a estados de déficit. En 4 de cada

10 contenedores se instaló un sensor de capacitancia eléctrica que mide el contenido

volumétrico de agua en el suelo (ɵ, %). El registro de humedad se hizo cada 15 minutos.

Parámetros micro - ambientales fueron registrados mediante sensores integrados a una

estación meteorológica automática situada entre las dos jaulas Faraday. Una estación

meteorológica automática completa fue instalada en el sitio experimental. Dos electrodos

(electrodo de referencia y electrodo de medición, figura 1) se insertan en el tronco a 20 cm y 30

cm por encima del injerto. Cada circuito eléctrico está conectado a un amplificador multi -

voltímetro (Keithley, modelo 2701). En simultáneo se conectan dos electrodos de un prototipo

de sensor electrofisiológico, que permite hacer las mediciones de forma inalámbrica. El registro

de las mediciones del PE utiliza el software de utilidad EXCELinx®, y esta información se analizó

en formato gráfico utilizando un algoritmo desarrollado en el lenguaje de programación R®. Los

tratamientos consistieron en regar ccinco plantas cada 12 horas (2,4 L), mientras otras cinco se

someten a restricción hídrica. La condición de estrés fue verificada midiendo conductancia

estomática (Gs; Wm-2s-1), concentración interna de CO2 (Ci; µmolm-2s-1) y fotosíntesis (A; µmolm-

2s-1) con un IRGAS-CI340 (CID, Bio-Science Inc, 2014). Un análisis de Boxplot fue hecho para

identificar los cambios en Gs durante el período de riego y restricción. El programa R® fue usado

para ejecutar algoritmos que correlacionaran el PE con: Temperatura, radiación y humedad del

sustrato. Con el mismo software, se hizo la caracterización de la señal, encontrando las

frecuencias fundamentales (ciclo circadiano – alta frecuencia) programando el método de la

transformada rápida de Fourier (FFT, siglas en inglés; Duhamel y Vetterli, 1990). Ocho días

después de la restricción, la totalidad de las plantas se regaron y se inició un período de

recuperación, en el cual se midió la respuesta del PE. Un análisis completo de la señal eléctrica

se muestra en este trabajo sólo para las plantas de Persea americana y Prunus domestica, para

el período experimental comprendido entre el 10 de octubre y el 05 de noviembre de 2013. Una

prueba de Shapiro-Wilks fue realizada para probar la existencia de la no-normalidad de los

datos. Una prueba de Mann Whitney (Kasuya, 2001) fue hecha para determinar las diferencias

significativas entre tratamientos, usando las variables medidas para las condiciones de estrés.

Figura 1. Esquema de medición del potencial eléctrico en la planta.

Resultados y Discusión

La figura 2 muestra la correlación del PE para Persea americana con la temperatura (a), la

radiación (b) y la humedad del sustrato (c), para el período comprendido entre el 10 de octubre

y el 05 de noviembre de 2013. La figura 3 relaciona los resultados para Prunus domestica. Las

líneas punteadas verticales muestran el período de restricción hídrica. Los valores de PE

presentados por ambas especies, medidos con el multi-voltímetro Keithley indican que existe

una respuesta eléctrica diferencial entre plantas hidratadas y las sometidas a déficit hídrico

(línea azul continua). Se puede observar que la pendiente del PE muestra una tendencia

diferenciada en cada período de hidratación. La tendencia es cero para un estado de hidratación

continuado (entre el 10 y el 14 de octubre), posteriormente es positiva cuando la planta ha

entrado en estrés por restricción (entre el 14 y el 25 de octubre), y una vez se rehidrata la

tendencia pasa a ser negativa (después del 25 de octubre). Algunos efectos sobre los máximos

de la señal del PE parecen estar relacionados con los cambios en la temperatura y la radiación,

tal como se observa en el período de recuperación. De acuerdo con los resultados, un estado de

estrés en una planta leñosa puede ser caracterizado por una tendencia positiva en la señal del

PE. El comportamiento presentado por las especies experimentales bajo una condición

ambiental específica de radiación, temperatura e hidratación sugiere una posible coordinación

fisiológica generada por señales eléctricas sobre los diferentes órganos (Volkov et al., 2007,

Zimmermann et al, 2009), determinado por la magnitud e intensidad del estímulo (Oyarce y

Gurovich, 2011; Gurovich y Hermosilla, 2009; Ríos-Rojas et al, 2015) para la especie específica.

Figura 2. Correlación del PE con las variables ambientales para Persea americana.

Figura 3. Correlación del PE con las variables ambientales para Prunus domestica

Un análisis espectral muestra un máximo dominante, con una frecuencia aproximada a 1 µHz,

equivalente a un período de un día, que se corresponde con el ciclo Circadiano (Figura 4), los

subsecuentes peaks corresponden a la oscilación armónica asociada a la distorsión de la señal

con los períodos de estrés – recuperación dada por la variación de la hidratación.

Figura 4. Análisis espectral de la señal, frecuencia fundamental 1 µHz (un día).

La respuesta para plantas de Persea americana, medidas con sensor electrofisiológico (línea

negra) y el sensor Keithley (línea roja), se muestran en la figura 5a. Los resultados exponen una

respuesta cíclica diaria (24 horas) en plantas bien regadas (panel izquierdo), siendo, 0,01 el valor

de la frecuencia más alta (Figura 5b,c); con un coeficiente de correlación entre los dos período-

gramas es de 0,79, [P<0.001; CI (intervalo de confianza): 0,75 – 0,82, al 95% de significancia];

esto indica que plantas estarían respondiendo a los estímulos ambientales incluidos la luz,

temperatura, radiación, etc. de ese periodo. Un segundo máximo, cercano a la frecuencia 0.02,

es detectado, con una frecuencia de menor magnitud, comparado con el espectro de la

frecuencia fundamental; correspondiendo a un comportamiento “típico” de las plantas de

Persea americana, ya reportado en Ríos-Rojas et al., (2014), para plantas bien regadas. Los

espectros resultantes de frecuencias de menor valor a 0,01 se refieren al período completo

analizado. En el caso del período con restricción hídrica (panel derecho), el multi-voltímetro

Keithley no expresa ciclos exactos de 24 horas, siendo la frecuencia dominante un ciclo de 1,1

días y la segunda frecuencia de 0,78 días (Figura 5b). Con el sensor electrofisiológico se registra

un ciclo de 0,5 días, precedido por un ciclo de 1,0 día (Figura 5c). La correlación para las señales

de los dos sensores es de 0,55, [P<0.001; CI: 0.47 – 0.62, 95%].

Figura 5. PE para Persea americana en período con restricción hídrica. (a) sensor Keithley (línea

roja), sensor electrofisiológico (línea negra); (b) Periodograma sensor Keithley. (c) Periodograma

sensor electrofisiológico. Panel izquierdo: plantas bien regadas; panel derecho: plantas en

restricción hídrica.

Con el fin de verificar el estado de estrés de las plantas experimentales, una vez ha pasado un

período de 23 días en restricción hídrica, se realizan mediciones de conductancia estomática en

tres horas distintas del día (9:00 h, 13:30 h y 17:30 h), durante un día, con estas mediciones se

busca verificar un cambio fisiológico, expresado en la respuesta del PE, por concepto de déficit

hídrico y no por cambios en la luz o la temperatura ambientales. En el período de riego se miden

10 plantas, que reciben el mismo tratamiento de hidratación; posteriormente 5 de las 10 plantas

son sometidas a restricción hídrica durante. Finalizado el período de restricción se realizan las

mediciones de Gs, en todas las plantas; observándose que la Gs se mantiene en un nivel

constante para las 5 plantas siempre regadas (“I”, figura 6a), mientras que, para las 5 plantas

sometidas a restricción hídrica, Gs disminuye significativamente (“NI”, figuras 6b).

Figura 6. Gs para Persea americana. (a) 10 plantas con riego. (b). 5 plantas con riego y 5

plantas sin riego.

La tabla 1a muestra las diferencias significativas para Persea americana para los valores de Gs,

A y Ci, para ambos tratamientos de disponibilidad hídrica a lo largo del día, con excepción de las

mediciones hechas para “A” a las 17:30 PM, coincidiendo con la hora de baja asimilación de CO2.

También para Prunus domestica (Tabla 1b), Gs y Ci presentan diferencias estadísticas

significativas entre tratamientos, excepto para A, cuya distribución no presenta diferencias.

Tabla 1. Prueba de Mann Whitney para A, Gs y Ci para (a) Persea Americana, (b) Prunus

domestica

Los resultados obtenidos en este período experimental son consistentes con los publicados en

Ríos-Rojas et al. (2014), donde un déficit hídrico prolongado genera un estrés en las plantas que

conllevan a un cambio en la tendencia del PE. Estos cambios en el PE pueden ser captados por

un sensor electrofisiológico que permita tomar medidas tempranas para mantener el buen

estado de las plantas leñosas. Plantas bien regadas presentan una respuesta cíclica, con un solo

máximo en el día (24 horas). En los períodos de restricción hídrica el ciclo se altera, ampliando

la frecuencia fundamental a más de 24 horas, verificado para ambas especies. Se observó que

el prototipo del sensor electrofisiológico amplificó adecuadamente la señal, tomando como

referencia la señal medida con el multi-voltímetro Keithley; un avance tecnológico en este

sentido permitiría instalar medidores de estrés fisiológico en los cultivos, haciendo un

seguimiento continuado, no destructivo que permita tomar decisiones tempranas sobre la

hidratación de las plantas. Las mediciones de Gs, permite evidenciar el efecto del estrés por

déficit hídrico, en tanto que plantas sometidas a restricción minimizan su Gs, a fin de evitar

grandes pérdidas de agua desde los estomas; éste comportamiento es claramente mostrado en

los resultados, y contrastado con plantas bien regadas. Es posible además observar en función

del PE que el proceso de recuperación después de la rehidratación no inicia de manera

instantánea, ésta podría estar relacionado a procesos como la transpiración y fotosíntesis que

tardan días en recuperarse después de una rehidratación (Flexas et al., 2009 and Zufferey et al.,

2011).

Conclusiones

Se presenta evidencia de la respuesta eléctrica de las plantas a estímulos ambientales. La

magnitud de la respuesta a estos estímulos, incluso a estrés por sequía pueden ser medidos en

las plantas, de manera no destructiva y en tiempo real. Las medidas del PE muestran el cambio

de pendiente en la señal, definido como un efecto del micro-ambiente sobre la planta, incluido

su estado hídrico, para las especies estudiadas, Persea americana y Prunus domestica; sin

embargo, estos resultados no son suficiente evidencia para generalizar a todas las especies

leñosas. La tecnología actual para realizar estas mediciones fisiológicas es usada sólo en

investigación, no está disponible para los productores por su alto costo o requerir de mano de

obra calificada para su operación, un equipo inalámbrico de menor tamaño sería apropiado para

realizar las mediciones del PE de manera continuada no destructiva, presentado en esta

investigación como un prototipo de sensor electrofisiológico. Cabe mencionar que el sensor

electrofisiológico no es recomendado como instrumento único para tomar decisiones en el

programa de riego; pues puede indicar cuándo la planta entra en estrés hídrico, más no puede

cuantificar el volumen de agua a aplicar a la planta, por lo cual no puede ser aislado de un sensor

que determine la humedad del suelo.

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