Efectos de la aplicación de CSL en plantas hortícolas para mejorar su crecimiento en diferentes condiciones medioambientales

Abstract

La exposición de las plantas a condiciones ambientales adversas ha cobrado una importancia creciente en la agricultura moderna, especialmente en situación de cambio climático. Entre dichas condiciones ambientales estresantes para los cultivos podemos encontrar la radiación ultravioleta (UV) que puede causar quemaduras solares y daños moleculares en las plantas, afectando negativamente su fotosíntesis y metabolismo. También, la salinidad del suelo que puede interferir en la absorción de agua y nutrientes, provocando desequilibrios osmóticos y toxicidad iónica en las plantas. Por otro lado, con el aumento de la población mundial se ha realizado una excesiva fertilización nitrogenada para incrementar la productividad de los cultivos, ocasionando problemas medioambientales. Estos factores pueden impactar negativamente en el desarrollo de los cultivos y en la salud de las personas. En este contexto, la investigación sobre estrategias para mejorar la resistencia y la eficiencia en el uso de nutrientes de los cultivos es crucial. Entre estas estrategias, se ha estudiado el uso de productos agroquímicos denominados “bioestimulantes”. Uno de los ingredientes para la formulación de los bioestimulantes es el licor de maceración de maíz (CSL), este es un subproducto derivado de la industria procesadora de dicho cereal, que tiene muchos compuestos que pueden actuar con efecto bioestimulante. Sin embargo, no se ha profundizado en qué efectos concretos puede tener, ni el modo y el momento de aplicación. En este contexto, la presente tesis se enfoca en evaluar diferentes formas de CSL como bioestimulante, su modo de acción y su impacto, tanto, en plantas sometidas a condiciones de estrés ambiental (radiación UV y alta salinidad), como en la eficiencia en el uso de la fertilización nitrogenada. Se han llevado a cabo cuatro experimentos para determinar el efecto bioestimulante y que formas de aplicación son más efectivas para incrementar la resiliencia en los cultivos. Los cultivos seleccionados para los experimentos fueron el pepino y el pimiento. Estos fueron elegidos dada su relevancia en la agricultura y su conocida sensibilidad a estos tipos de estreses ambientales. El pepino, por ejemplo, es particularmente susceptible a los daños causados por la radiación UV, mientras que el pimiento muestra una sensibilidad notable a la salinidad del suelo. En el primer experimento se evaluó si CSL mejoraba el crecimiento y desarrollo de plantas de pimiento en condiciones controladas. Por esta razón, se realizaron cuatro tratamientos con dos tipos de CSL (CSL-H y CSL-B), diferenciados por su método de estabilización, y aplicados tanto de manera foliar como radicular. El objetivo era determinar qué método de aplicación y tipo de CSL era más efectivo en cuanto a la promoción del crecimiento vegetativo y el desarrollo de las plantas de pimiento. En el segundo experimento se analizó si la aplicación de CSL mitigaba la absorción y acumulación de iones tóxicos y su fitotoxicidad en plantas de pimiento cultivadas en condiciones de estrés salino. Para ello, se realizaron cuatro tratamientos en una cámara de cultivo: riego con solución nutritiva; riego con 100 mM de NaCl en la solución nutritiva; riego con 100 mM de NaCl en la solución nutritiva y aplicación foliar de CSL a 5 mL L−1 cada 7 días; y riego con 100 mM de NaCl en la solución nutritiva y aplicación radicular de CSL a 5 mL L−1 cada 7 días. Este enfoque permitió determinar el método de aplicación de CSL más efectivo (vía foliar y/o vía radicular) para reducir los efectos fitotóxicos del estrés salino en las plantas. En el tercer experimento se investigó si la aplicación del producto protector Archer® Eclipse, cuya composición incluye CSL, mitigaba el daño por quemaduras solares y sus efectos asociados en plantas de pepino cultivadas en condiciones que inducen quemadura solar. Con este fin, se establecieron dos tratamientos: plantas no tratadas (control) y plantas rociadas con Archer® Eclipse. El objetivo era determinar la eficacia de Archer® Eclipse en la reducción de los síntomas de quemaduras solares y en la mejora de parámetros como la biomasa, temperatura foliar, fotosíntesis y estrés oxidativo en las plantas. Las plantas tratadas con Archer® Eclipse se compararon con las no tratadas para evaluar diferencias significativas en la resistencia a las condiciones de radiación solar intensa y altas temperaturas. En el cuarto experimento se valoró si la aplicación de CSL mitigaba los efectos de la reducción de nitrógeno en plantas de pimiento cultivadas en diferentes concentraciones de fertilización nitrogenada. Para ello, se establecieron cuatro tratamientos que variaban en la cantidad de nitrógeno proporcionado (100% N, 75% N, 50% N, y 25% N) y el tipo de aplicación de CSL (sin CSL, CSL foliar y CSL radicular) para determinar la forma más efectiva de aplicación de CSL en términos de reducir los efectos negativos de la limitación de nitrógeno en las plantas. Los tratamientos se diseñaron para investigar cómo la aplicación de CSL podría mejorar la eficiencia en el uso del nitrógeno (NUtE y NUE), aumentando la asimilación de nitrógeno (incremento de actividades enzimáticas) y la concentración de aminoácidos y proteínas en condiciones de suministro reducido de nitrógeno. De estos experimentos las conclusiones más relevantes fueron las que se muestran a continuación: I. Primer experimento: Los resultados obtenidos mostraron que la aplicación de productos CSL (tanto CSL-B como CSL-H) en plantas de pimiento resultó en un aumento significativo del crecimiento vegetativo en comparación con las plantas control. Este incremento en el crecimiento se debió a: (i) la rica composición de los productos CSL, que incluye aminoácidos libres, ácidos húmicos y fúlvicos, y nutrientes como nitrógeno orgánico, potasio y fósforo, y (ii) la estimulación de procesos fisiológicos y bioquímicos en las plantas, incluyendo el metabolismo del carbono, la eficiencia en el uso del agua y la síntesis hormonal. Además, se observó que la aplicación de CSL a través de las raíces fue más efectiva que la aplicación foliar. La aplicación de CSL en dosis bajas (5 mL L−1) no solo aumentó la biomasa de las plantas, sino que también mejoró la absorción y concentración de nutrientes esenciales en las hojas. II. Segundo experimento: Los resultados obtenidos mostraron que CSL, especialmente la aplicación radicular, mejoró significativamente el crecimiento de las plantas de pimiento sometidas a alta salinidad. Se observó que la aplicación de CSL radicular mantuvo la actividad fotoquímica y estimuló la eficiencia fotosintética, lo que, junto con una mayor concentración foliar de K y una reducción del cierre estomático bajo estrés salino, permitió una alta tasa de fotosíntesis neta y redujo la generación de ROS, contrarrestando así el efecto fitotóxico de los iones de Na. III. Tercer experimento: Los resultados obtenidos mostraron que el tratamiento con Archer® Eclipse en plantas de pepino bajo condiciones de estrés por alta luminosidad y temperatura resultó en un incremento significativo en el crecimiento y biomasa de las plantas. Además, se observó que el tratamiento con Archer® Eclipse no afectó negativamente los mecanismos de regulación del intercambio gaseoso. Por otro lado, las plantas no tratadas mostraron un aumento en su respuesta antioxidante, indicando un estrés más intenso en comparación con las plantas tratadas. Estos hallazgos sugieren que Archer® Eclipse ofrece una protección efectiva contra las condiciones que inducen quemaduras solares en las plantas de pepino. IV. Cuarto experimento: Los resultados obtenidos mostraron que reducciones hasta 50% y 25% en la concentración de nitrógeno (N-50% y N-25%) provocaron una disminución notable en la biomasa y el área foliar de las plantas. Sin embargo, la aplicación de CSL, especialmente radicular, mostró una capacidad significativa para mitigar estos efectos negativos. El CSL mejoró la asimilación de nitrógeno, aumentó la eficiencia en su uso e incrementó la síntesis de aminoácidos y proteínas. A diferencia de la aplicación foliar, que tuvo un impacto limitado, la aplicación radicular de CSL resultó ser una estrategia efectiva para mejorar el crecimiento y la salud de las plantas de pimiento en condiciones de deficiencia de nitrógeno

The exposure of plants to adverse environmental conditions has gained increasing importance in modern agriculture, particularly in this situation of climate change. Among these stressful environmental conditions for crops, we can find ultraviolet (UV) radiation, which can cause sunburn and molecular damage in plants, negatively affecting their photosynthesis and metabolism. Also, soil salinity can interfere with the absorption of water and nutrients, causing osmotic imbalances and ionic toxicity in plants. On the other hand, with the sustained increase in the world population, excessive nitrogen fertilization has been carried out to increase crop productivity without increasing the cultivated space, causing environmental problems. These factors can negatively impact crop development and human health. In this context, research on methods to improve plant resistance and nutrient use efficiency is crucial. Among these methods, the use of plant-derived biostimulants has been studied. One of these biostimulants is corn steep liquor (CSL), a by-product derived from the corn processing industry, which contains many molecules that can act as biostimulants, but its specific effects, as well as the mode and timing of application, have not been thoroughly investigated. In this context, this thesis focuses on evaluating different forms of CSL as a biostimulant, its mode of action, and its impact, both on plants subjected to environmental stress conditions (UV radiation and high salinity), and on the efficiency of nitrogen fertilization. Four experiments were carried out to determine the biostimulant effect and which forms of application are most effective in increasing resilience in crops. The crops selected for the experiments were cucumber and pepper, due to their relevance in agriculture and their known sensitivity to these types of environmental stress. Cucumber, for example, is particularly susceptible to damage caused by UV radiation, while pepper shows notable sensitivity to soil salinity. In the first experiment, it was evaluated whether CSL improved the growth and development of pepper plants under controlled conditions. For this reason, four treatments were carried out with two types of CSL (CSL-H and CSL-B), differentiated by their stabilization method, and applied both foliarly and radicularly. The objective was to determine which method of application and type of CSL was most effective in terms of promoting vegetative growth and development in pepper plants. In the second experiment, it was analyzed whether the application of CSL mitigated the absorption and accumulation of toxic ions and their phytotoxicity in pepper plants grown under saline stress conditions. For this, four treatments were carried out in a growth chamber: irrigation with nutrient solution; irrigation with 100 mM NaCl in the nutrient solution; irrigation with 100 mM NaCl in the nutrient solution and foliar application of CSL at 5 mL L−1 every 7 days; and irrigation with 100 mM NaCl in the nutrient solution and radicular application of CSL at 5 mL L−1 every 7 days. This approach allowed determining the most effective method of CSL application (foliar and/or radicular) to reduce the phytotoxic effects of saline stress in plants. In the third experiment, it was investigated whether the application of the protective producto Archer® Eclipse, whose composition includes CSL, mitigated sunburn damage and its associated effects on cucumber plants grown under conditions that induce sunburn. To this end, two treatments were established: untreated plants (control) and plants sprayed with Archer® Eclipse. The objective was to determine the efficacy of Archer® Eclipse in reducing the symptoms of sunburn and in improving parameters such as biomass, leaf temperature, photosynthesis, and oxidative stress in plants. Plants treated with Archer® Eclipse were compared with untreated ones to evaluate significant differences in resistance to conditions of intense solar radiation and high temperatures. In the fourth experiment, it was assessed whether the application of CSL mitigated the effects of nitrogen reduction in pepper plants grown at different concentrations of nitrogen fertilization. For this, four treatments were established that varied in the amount of nitrogen provided (100% N, 75% N, 50% N, and 25% N) and the type of CSL application (without CSL, foliar CSL, and radicular CSL) to determine the most effective form of CSL application in terms of reducing the negative effects of nitrogen limitation in plants. The treatments were designed to investigate how CSL application could improve nitrogen use efficiency (NUtE and NUE), increasing nitrogen assimilation (increase in enzymatic activities) and the concentration of amino acids and proteins under conditions of reduced nitrogen supply. From these experiments, the most relevant conclusions were as follows: I. First experiment: The results obtained showed that the application of CSL products (both CSL-B and CSL-H) in pepper plants resulted in a significant increase in vegetative growth compared to control plants. This increase in growth was due to: (i) the rich composition of CSL products, which includes free amino acids, humic and fulvic acids, and nutrients such as organic nitrogen, potassium, and phosphorus, and (ii) the stimulation of physiological and biochemical processes in plants, including carbon metabolism, water use efficiency, and hormonal synthesis. In addition, it was observed that the application of CSL through the roots was more effective than foliar application. CSL at low doses (5 mL L−1) not only increased plant biomass but also improved the absorption and concentration of essential nutrients in the leaves. II. Second experiment: The results obtained showed that CSL, especially radicular application, significantly improved the growth of pepper plants subjected to high salinity. It was observed that radicular application of CSL maintained photochemical activity and stimulated photosynthetic efficiency, which, along with a higher foliar concentration of K+ and a reduction of stomatal closure under saline stress, allowed a high rate of net photosynthesis and reduced ROS generation, thus counteracting the phytotoxic effect of Na+ ions. III. Third experiment: The results obtained showed that treatment with Archer® Eclipse in cucumber plants under high light and temperature stress conditions resulted in a significant increase in plant growth and biomass. In addition, it was observed that treatment with Archer® Eclipse did not negatively affect the mechanisms of gas exchange regulation in plants. On the other hand, untreated plants showed an increase in their antioxidant response, indicating more intense stress compared to treated plants. These findings suggest that Archer® Eclipse offers effective protection against conditions that induce sunburn in cucumber plants. IV. Fourth experiment: The results obtained showed that reductions up to 50% and 25% in nitrogen concentration (N-50% and N-25%) caused a notable decrease in biomass and leaf area of the plants. However, the application of CSL, especially radicular, showed a significant capacity to mitigate these negative effects. CSL improved nitrogen assimilation, increased its use efficiency, and increased the synthesis of amino acids and proteins. Unlike foliar application, which had a limited impact, radicular application of CSL proved to be an effective strategy for improving the growth and health of pepper plants under nitrogen deficiency conditions