Bioquimica y fisiologia vegetal



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1BIOQUIMICA Y FISIOLOGIA VEGETAL
PRACTICA # 4.
NUTRICION MINERAL

INTRODUCCION
Las plantas requieren de elementos que se derivan, originalmente del suelo (a excepción de la mayor parte del nitrógeno que proviene de la atmósfera), además del carbono y el oxígeno, para llevar a cabo sus funciones metabólicas y para formar sus propias substancias. La importancia de dichos elementos no está muy relacionada con su abundancia, de manera que los que se requieren en mayores cantidades son nitrógeno, fósforo y potasio; les siguen el calcio, el azufre y el magnesio constituyendo en conjunto los denominados macroelementos. Además, los vegetales requieren otros elementos en muy pequeñas cantidades cuya presencia, sin embargo, es muy importante, tales como hierro, cobre, zinc, boro, manganeso, molibdeno, cloro y posiblemente sodio y cobalto, conocidos también como micronutrientes, los cuales también son esenciales para el metabolismo de las plantas.
El criterio generalmente aceptado para determinar si un elemento es esencial o no para la planta es que “si el elemento no se proporciona a la planta no puede crecer o reproducirse normalmente , - la acción debe ser específica e irremplazable por otro elemento - y el elemento debe ejercer un efecto directo en la planta. Dichas necesidades son cubiertas normalmente por ciertas sales minerales (sales nutritivas), las cuales son absorbidas en forma de cationes y aniones. En este proceso participa básicamente la raíz de las plantas terrestres y todo el organismo en las plantas acuáticas. Sin embargo, también puede encontrarse absorción de iones a través de la superficie de las hojas de las plantas terrestres (principio en que se basa la fertilización foliar).
La absorción de iones por las células de la raíz es un proceso complejo y aún no totalmente esclarecido. La primera barrera fisiológica al paso de los iones hacia el interior del citoplasma es el plasmalema que regula la difusión libre de iones. Se sabe que todas las membranas citoplásmicas son diferencialmente permeables, permitiendo que algunas substancias pasen a través de ellas más fácilmente que otras, o pueden bloquear completamente el paso de algunas otras. Se ha observado, en general, que la permeabilidad a las substancias no polares, en oposición con la de substancias polares (solubles en agua), aumenta con el peso y el tamaño molecular, esto es, con el aumento de apolaridad y por lo tanto mayor solubilidad en grasas.
Se ha visto que la permeabilidad diferencial de las membranas cambia con determinadas condiciones experimentales, tales como: balance de iones mono y divalentes, pH, deshidratación y moléculas reguladoras como el fitocromo. También el tiempo hace variar la permeabilidad diferencial, observándose que ésta aumenta con la senescencia y desaparece con la muerte. La respiración es esencial para mantener la permeabilidad diferencial y cualquier factor que influya en ella por consiguiente también afecta la permeabilidad.
Se han realizado numerosas investigaciones sobre el transporte de iones y se han propuesto diversos mecanismos; algunos de ellos son procesos puramente físicos y se conocen con el nombre general de “absorción pasiva”, pero el mecanismo más importante en la acumulación de iones contra el gradiente de difusión se conoce como “absorción activa”, requiriendo, por lo tanto, la energía metabólica a partir de la respiración.
Para las plantas no basta sólo con disponer de todos los elementos esenciales en forma de iones apropiados en el suelo, sino que éstos deben estar presentes en una relación óptima; al mismo tiempo la concentración iónica total no debe superar cierto valor crítico por razones osmóticas. El valor pH es también importante en la absorción de iones.
Con el objeto de determinar las necesidades absolutas de una planta con respecto a los elementos individuales, o bien a sus cantidades óptimas, se introducen sus raíces en una solución nutritiva en la cual están disueltas diferentes sales inorgánicas y se observa luego su desarrollo. Si una solución nutritiva contiene todos los macro y microelementos en cantidades suficientes y en una relación adecuada, la mayoría de las especies vegetales crece en forma normal, si la iluminación y el suministro de CO2 son adecuados.
En condiciones naturales la planta absorbe los iones del suelo a través de las raíces y las características de aquéllas determinan la magnitud del crecimiento vegetal. La lixiviación del suelo, así como la constante remoción de la cubierta vegetal, inducen fluctuaciones en la concentración de iones de la solución edáfica, pero las características generales de la acción amortiguadora del suelo impiden la acumulación unilateral de ciertos iones y con ello disminuyen las posibilidades de un efecto tóxico sobre las plantas.
Aquéllos suelos cultivados intensivamente se empobrecen de sales nutritivas, lo que generalmente se compensa mediante fertilizaciones.
Un aspecto interesante es el metabolismo de los compuestos nitrogenados minerales y orgánicos. Siendo los nitratos relativamente abundantes en el suelo, las plantas no pueden usarlos inmediatamente después de absorbidos sino que deben primero reducirlos a amonio a través de una serie de pasos que consumen energía, después de esto pueden usar el nitrógeno para sintetizar aminoácidos y otros compuestos nitrogenados.
Existen organismos vegetales capaces de fijar el N2 atmosférico; es un proceso complicado que consume gran cantidad de energía e involucra la reducción en varios pasos del nitrógeno libre a amonio, a través de una serie de compuestos intermediarios. Algunos de estos microorganismos son de vida libre y otros géneros son simbióticos con plantas vasculares, leguminosas y no leguminosas. Viven en nódulos formados por la planta huésped en respuesta a la invasión bacteriana. La reducción que realizan es catalizada por un sistema multienzimático complejo denominado nitrogenasa que requiere de: una fuente de ATP, donadores de electrones (ferredoxina) y donadores de hidrógeno (NADH.H y NADPH.H).

OBJETIVOS

El estudiante determinará la necesidad de algunos de los elementos esenciales para el crecimiento y desarrollo de las plantas, por ejemplo, se analizarán los efectos de la carencia de N, Mg, Fe.

El estudiante aprenderá a elaborar cultivos hidropónicos.

El estudiante aprenderá a construir “invernaderos portátiles” para el desarrollo adecuado de las plantas bajo estudio.



MATERIALES
Por equipo:

5 botellas de 500 mL o 1000 mL, de boca estrecha y pintadas de negro u opacas (i.e., no transparentes). Si se prefiere se puede realizar la práctica en macetas, tomando en cuenta que se requieren al menos 4 botellas para almacenar también las soluciones nutritivas.


40 semillas de chícharo o frijol.

Bolsas de papel

Navajas de afeitar.

Papel absorbente.

Papel aluminio y etiquetas (proporcionado por el alumno).

Agrolita, vermiculita o arena (proporcionadas por el alumno).

Regla milimétrica.

5 pipetas graduadas de 5 mL.

Agua destilada.

Balanza.


Papel pH rango 1-11 o potenciómetro.

Solución de HCl al 1%.

3 pipetas graduadas de 1 mL.

1 invernadero o lugar iluminado.

Soluciones madres (nutritivas)

:

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MATERIAL PARA LA CONSTRUCCION DE UN INVERNADERO

1 bandeja o charola de 53.7 X 35.0 X 7.5 cm.

(Interiores)

Alambre de 7.30 cm. No. 10 galvanizado.

Polietileno de 1.82 m2 , 4 milésimas de pulgada de grosor

Cinta adhesiva alrededor de 1 m.


METODO

Previamente ponga a germinar 40 semillas de la especie de su preferencia en un vaso o caja de petri con agua y papel filtro, toallas de papel, papel higiénico, etc., dejándolas una o dos semanas hasta tener plántulas con una raíz de 4 cm y las primeras hojas. Las botellas, charolas o macetas que se van a utilizar deben estar muy limpias (es fundamental que no tengan residuos químicos); etiquételas de modo que una corresponda a la solución completa, otra sin nitrógeno, otra sin magnesio y otra sin hierro. Dependiendo de las disponibilidades de material podrían agregarse demostraciones para la esencialidad de otros elementos como fósforo y potasio (esta sugerencia queda a criterio del equipo, sólo para obtener puntos extra en la práctica).

Prepare las soluciones necesarias a partir de las indicaciones de la tabla correspondiente que aparece arriba. Para esto llene cada frasco con agua destilada hasta la mitad y agregue las cantidades necesarias de las soluciones madres o nutritivas para cada tratamiento (tenga especial cuidado en no cambiar las pipetas). Mida el pH de la solución final.

Seleccione unas 6 plántulas iguales y elimine cuidadosamente, con una navaja de afeitar, los cotiledones. Coloque dos plántulas en cada botella, charola o maceta, tenga mucho cuidado al manejar las raíces para no romperlas. Para sostener la plántula envuelva la región del cuello con algodón, éste debe quedar compacto, pero no debe dañar el tallo y se debe cuidar que la raíz de la plántula no se enrede en el mismo. Evite que el algodón se moje con el objeto de impedir el ataque de hongos.


Observe dos o tres veces por semana durante un mes. Asegúrese de que las raíces estén siempre sumergidas en la solución, en caso contrario rellene con agua destilada. Mida semanalmente el pH de las soluciones.


METODO PARA LA CONSTRUCCION DEL INVERNADERO

Con un mínimo de precaución, las plantas en macetas y las plántulas en desarrollo pueden mantenerse en el invernadero. Si se colocan unos 2.5 cm de arena o suelo sobre el piso, las semillas pueden germinar o las plantas mantenerse sobre la base sin usar macetas. En ambos casos se suministrará la humedad adecuada al añadir agua a la caja. Las plantas necesitarán riego con poca frecuencia., ya que el plástico reduce la pérdida de humedad del interior.

Las dimensiones de este invernadero están basadas en las de la caja, como se ve en la lista mencionada con anterioridad, pero las dimensiones pueden modificarse para hacer invernaderos proporcionalmente más grandes o más pequeños. Sin embargo, si se modifica el patrón será importante cambiar las medidas del alambre y el polietileno para evitar el desperdicio del material o cortar una pieza demasiado pequeña.


  1. Forme un armazón de alambre de una sola pieza (como se muestra en la figura) para sostener la cubierta de polietileno. El armazón debe ser 2.5 cm más pequeño en anchura y longitud que el interior de la caja (una caja de 25 X 50 cm debe contener un armazón de alambre de 22.5 X 47.5 cm). Deberán dejarse 2.5 cm de alambre extra a la izquierda de cada punta para mantener las uniones juntas (NOTA: las esquinas cuadradas pueden hacerse fácilmente doblando el alambre en un marco metálico con un martillo).




  1. Sujete las uniones con algunas vueltas de cinta adhesiva y enderece el armazón a mano.

  2. Corte la cubierta de polietileno como se ilustra en la figura.

  1. Selle con calor los pliegues sobrantes de la cubierta de polietileno.

  2. Cubra el fondo con una o más capas de polietileno más grueso para impedir que se filtre el agua.

Utilice la técnica empleada para envolver regalos para obtener pliegues perfectos en las esquinas internas y externas de la base y sujete con grapas la parte exterior del plástico. El mantenimiento de la temperatura deseada en el invernadero puede controlarse con un regulador termostático y una fuente de calor.


La selección de la energía y los instrumentos de control dependerá del espacio para la planta y sus requerimientos de temperatura.

Se ha visto que un invernadero como el que aquí se describe puede mantener una temperatura de 30°C mientras la temperatura externa estaba dentro del intervalo de 0-25°C. Se encontró que una lámpara de 100W proporcionaba suficiente calor para mantener un gradiente de temperatura cerca de 10°C por encima de la temperatura ambiental.

Para variaciones extremas de temperatura (de 20 A 25°C) se encontró que una cinta térmica de 60W puede funcionar continuamente. Por lo tanto si se requiere calentar grandes áreas o elevar más aún la temperatura deberán colocarse cintas adicionales o usarse una potencia eléctrica mayor.

La humedad relativa en el interior del invernadero puede mantenerse fácilmente cercana al 100%. Si se disminuye esta humedad al permitir que escape el aire, la temperatura cambiará. PRECAUCION: La grava u otros materiales en el interior deberán permanecer húmedos durante todo el tiempo o la resistencia eléctrica generará calor suficiente para fundir el polietileno si están en contacto.


RESULTADOS

. Durante las observaciones estudie las plantas cuidadosamente y anote cualquier cambio de aspecto en el sistema radical, coloración del tallo y las hojas. Anote si los cambios ocurren en hojas nuevas o viejas, en toda su superficie o sólo en un sector (ápice o base), si es entre las nervaduras o a lo largo de los bordes. Haga un cuadro con todas sus observaciones.






LITERATURA SUGERIDA:
Barthelemy R.E., Dawson, J.R., Addison E. L. 1977. Técnicas para el Laboratorio de Biología BSCS. Ed. C.E.C.S.A. México. 148.
Bidwell, R.G.S. 1979. Fisiología Vegetal. AGT Editor, S:A. 784pp.
Fernández G., Johnston M. 1986. Fisiología Vegetal Experimental. Servicio Editorial IICA. Costa Rica. 428pp.
Salisbury F.B. and Ross C.W. (eds.). 1994. Plant Physiology. Ed. Wadsworth Publishing Company, Inc. USA. 430pp.
Taiz L., Zeiger E. (eds.) 1991. Plant Physiology. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.U.S.A.559pp.


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