Tesis:
Estudio y modelización del proceso de germinación de semillas de triticale sometidas a tratamiento magnético
- Autor: ÁLVAREZ SÁNCHEZ, José
- Título: Estudio y modelización del proceso de germinación de semillas de triticale sometidas a tratamiento magnético
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: INGENIERIA AGROFORESTAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/66821/
- Director/a 1º: MARTÍNEZ RAMÍREZ, Elvira
- Resumen: El efecto beneficioso de los campos magnéticos sobre especies vegetales está, en líneas generales, aceptado por la comunidad científica. Sin embargo, se ha puesto escasa atención sobre los cereales, en especial sobre el triticale. El triticale es cultivado en cerca de 40 países a lo largo del globo, aunque la producción está muy concentrada en Europa con un valor cercano al 90%. España ocupa la sexta posición a nivel mundial (FAOSTAT, 2020). En un contexto actual en el que la sociedad está cada vez más concienciada con el cambio climático y la contaminación del medio, los campos magnéticos constituyen una técnica inocua y de bajo coste que permite reducir la dependencia en fertilizantes. Por otro lado, en los últimos años ha aparecido un gran interés a nivel mundial por la observación y el análisis del proceso de germinación de semillas con vistas a introducir mejoras en esta fase y lograr una cosecha, un trasplante o una multiplicación vegetal más tempranas en los días siguientes. Desplazando entonces el enfoque tradicional centrado en el estudio de las condiciones de la planta cuando se encuentra en su fase de crecimiento. El fin principal de esta tesis fue estudiar en laboratorio diversos parámetros relacionados con la germinación de semillas de triticale, efectuando siempre una comparación entre los valores obtenidos por las semillas tratadas magnéticamente (magneto-priming) y sin tratar. La temática escogida constituye por tanto una unión entre la física y el mundo vegetal. Los objetivos fijados a alcanzar fueron, entre otros: estudiar la influencia del pretratamiento de semillas de triticale con campos magnéticos generados por un tándem bobina - fuente de alimentación modificando la intensidad de corriente, temperatura del medio y tiempo de aplicación; modelizar el proceso de absorción de agua por parte de las semillas a diferentes temperaturas y estudiar su nivel de coincidencia con los modelos de absorción existentes, como el modelo de Peleg; estudiar la influencia de soluciones osmóticas, con el uso de sustancias como el polietilenglicol, que modifican el potencial hídrico del medio de la semilla y modelizar el proceso de germinación en este medio mediante el modelo de hidrotiempo; estudiar otros modelos como el de termotiempo, hidrotermotiempo y magnetotiempo o tiempo magnético, con especial énfasis en este último, dado que presenta un número sustancialmente menor de publicaciones con respecto a los otros y, por último, utilizar las técnicas espectroscópicas de Raman y cámara hiperespectral para ver los efectos de los campos magnéticos, el agua y diversas soluciones osmóticas sobre los componentes de las semillas de triticale. El trabajo está estructurado según la modalidad por compendio de publicaciones, que para mayor coherencia, han sido ordenadas siguiendo el índice del trabajo y el orden cronológico de realización de los ensayos, lo cual no necesariamente coincide con el orden en que fueron publicadas. La parte experimental se dividió en tres tipos de ensayos efectuados con las semillas de triticale: de germinación, de absorción y utilizando técnicas espectroscópicas. A su vez, los ensayos de germinación fueron de cuatro tipos: triticale sometido a magneto-priming, triticale sometido a magneto-priming y estrés hídrico y salino, modelización del proceso de germinación mediante el método de hidrotiempo y modelización del proceso de germinación mediante el método de magnetotiempo o tiempo magnético. Los ensayos de absorción constaron de una estructura parecida, se estudió, por un lado, la absorción del triticale sometido a magneto-priming y, por otro a magneto-priming y estrés hídrico y salino, y sus respectivas modelizaciones. Por último, se realizaron ensayos utilizando las técnicas de Raman y cámara hiperespectral. Comenzando por los ensayos de germinación, se realizaron, primeramente, cinco a diferentes temperaturas para comparar la actuación de semillas sometidas a magneto-priming y semillas control mediante diferentes parámetros germinativos. Los dos primeros sirvieron para detectar posibles errores en el procedimiento o identificar factores que podían modificarse en los siguientes. En estos ensayos también se determinó el tiempo a partir del cual el pretratamiento magnético es efectivo en la germinación. Posteriormente, se estudió en otro ensayo la influencia conjunta del magneto-priming y el estrés hídrico y salino sobre la germinación de semillas de triticale. El análisis de resultados arrojó que el magneto-priming claramente beneficia la germinación, sobre todo cuando el estrés está provocado por NaCl. En tercer lugar, se realizó un ensayo para estudiar la idoneidad del modelo de hidrotiempo sobre las semillas de triticale. Este modelo, propuesto por Bradford y ampliamente utilizado por muchos investigadores, asume que la tasa de germinación de un conjunto de semillas es función lineal y exclusiva del potencial hídrico del medio y sirve para predecir dicha tasa para una especie vegetal en concreto. El ensayo se efectúo habiendo fijado previamente varios niveles de estrés hídrico. El análisis de los resultados determinó que el modelo de hidrotiempo es aplicable a las semillas de triticale obteniendo altos valores de R2 (0,85). Como resultado de esta experimentación se publicó el artículo “Germination performance and hydro-time model for magneto-primed and osmotic-stressed Triticale seeds” en la revista Romanian Journal of Physics en el año 2020. Publicación A. Por último, al haberse obtenido muy buenos resultados con las semillas sometidas a magneto-priming, se consideró que era adecuado realizar un ensayo con vistas a determinar la idoneidad del modelo de tiempo magnético -análogo al de hidrotiempo- en semillas de triticale, encuadrado también dentro de los ensayos de germinación. El modelo consiste en suponer que todos los factores que afectan a la germinación se mantienen constantes y sólo es variable la intensidad de campo magnético. Se obtuvo un valor de R2 superior al 98%, lo que indica que el modelo explica perfectamente el proceso de germinación de semillas de triticale. Además, se calcularon otras constantes asociados al modelo, así como diferentes parámetros relacionados con la germinación ya vistos en ensayos previos. Con todo esto se publicó el artículo “Magnetic-time model for triticale seed germination” en la revista Romanian Journal of Physics en el año 2019, publicación I de esta tesis. A continuación se realizaron los ensayos de absorción, divididos en dos grupos: ensayos de semillas de triticale sometidas únicamente a magneto-priming y ensayos con semillas sometidas a magneto-priming y estrés hídrico. En relación con el primer grupo, se realizaron tres ensayos de absorción de agua para, por un lado, modelizar el fenómeno de absorción en semillas de triticale y, por otro, estudiar la posible influencia del magneto-priming en este contexto. A continuación se comprobó el nivel de coincidencia de los datos obtenidos con el modelo de absorción de Peleg, siendo siempre los valores de R2 superiores al 97%. Se estudiaron varios modelos presentes en la bibliografía, pero se escogió finalmente el citado, por su relativa simplicidad y su éxito en predecir las curvas de absorción de numerosas semillas y frutos. En base a esto y junto con los resultados que se habían obtenido en los cinco primeros ensayos de germinación con semillas sometidas a magneto-priming, se publicó en el año 2019 el artículo “The use of Peleg's equation to model water absorption in Triticale (X Triticosecale Wittmack) seeds magnetically treated before soaking” en la revista Romanian Journal of Physics, la publicación II que forma parte de esta tesis. Continuando con el segundo tipo de ensayos de absorción, se realizaron dos con vistas a estudiar la absorción de agua en semillas sometidas a estrés hídrico y salino utilizando disoluciones con diferentes concentraciones de PEG y NaCl para generar diferentes valores de potencial (cuanto menor fuera esa magnitud en una disolución, las semillas estaban sometidas a mayor estrés). Se apreció, una vez más, que el magneto-priming es una técnica que actúa de forma beneficiosa en las semillas, haciendo que absorban más agua en condiciones adversas (bajo estrés hídrico y salino en este caso). Se observó que el magneto-priming es más efectivo en semillas que están en contacto con NaCl que con PEG. Por último, cuanto menor era el potencial hídrico del medio, menor era la cantidad de agua que absorbía la semilla. Las curvas de absorción obtenidas bajo PEG y NaCl se ajustaban muy bien a un modelo logarítmico (R2 > 0,95 en todos los casos) y también al ya descrito modelo de Peleg (R2 > 0,9 en la mayoría de los casos). Los resultados de esta experimentación dieron lugar al artículo “Effects of polyethylene glycol and sodium chloride stress on water absorption of magneto-primed triticale seeds” publicado en la revista Romanian Reports in Physics en 2020, publicación III que forma parte de esta tesis. Una vez había sido completado el estudio de la absorción de agua y germinación en semillas de triticale bajo distintas condiciones, se prosiguió con un análisis más exhaustivo a nivel celular de los efectos que tenía el fenómeno de magneto-priming y el estrés hídrico. Este estuvo integrado por los ensayos en los que se utilizaron técnicas espectroscópicas: Raman y cámara hiperespectral. Estas técnicas, grosso modo, permiten analizar la presencia o no de multitud de sustancias químicas en la semilla estudiada utilizando radiación electromagnética que incide sobre la muestra, la cual se ve alterada por multitud de procesos hasta convertirse en la luz respuesta, la que, por así decirlo, devuelve la muestra. Se realizaron dos ensayos en cada técnica. De los ensayos utilizando Raman, se extrajo como conclusión que el uso de esta técnica junto con el magneto-priming es un método apropiado para obtener y analizar información de los componentes clave presentes en las semillas de triticale, tanto si estaban sometidas a estrés hídrico y salino como si no. Publicaciones B y C: “Magneto-primed Triticale seeds studied by Micro-Raman spectra” y “Micro-Raman spectroscopy characterization of magneto-primed and drought-stressed Triticale seeds” Finalmente, usando la cámara hiperespectral se obtuvieron conclusiones igualmente positivas, la reflectancia espectral en el segmento 400-1100 nm resultó claramente beneficiada por el magneto-priming aplicado en las semillas de triticale y esta técnica constituye un método adecuado para explorar la estructura de la semilla y para hacer distinciones entre semillas sin someter y sometidas a estrés hídrico y salino. Publicación D: “Application of hyperspectral imaging in the assessment of drought and salt stress in magneto-primed Triticale seeds” ----------ABSTRACT---------- The beneficial effect of magnetic fields on plant species is, in general terms, accepted by the scientific community. However, little attention has been paid to cereals, especially Triticale. Triticale is cultivated in about 40 countries around the world, although almost 90% of production is in Europe. Spain occupies the sixth position worldwide (FAOSTAT, 2020). Considering the current context of the increasing awareness of climate change and environmental pollution, magnetic fields are an innocuous and low-cost technique that reduces dependence on fertilizers. In recent years there has been a lot of interest on a global scale in observing and analysing the seed germination process in order to improve this phase and achieve an earlier harvest, transplant or plant multiplication in the following days. This has displaced the traditional approach centred on studying the conditions of the plant when it is in its growth phase. The main aim of this thesis was to make a laboratory study of various parameters related to the germination of triticale seeds, comparing the values obtained for the magnetically treated (magneto-primed) and untreated seeds. This is therefore a union between physics and the plant world. The specific objectives were, among others: to study the influence of pre-treating triticale seeds with magnetic fields generated by a tandem coil-power supply, modifying the current intensity, temperature of the medium and application time; to model the process of water absorption by seeds at different temperatures and study the level of coincidence with existing absorption models, such as the Peleg model; to study the influence of osmotic solutions, using substances, such as polyethylene glycol, that modify the water potential of the seed medium and to model the germination process in this conditions according to the hydro-time model; to study other models such as the thermo-time, hydrothermal-time and magneto-time or magnetic-time models, with special emphasis on the last one, given that it has a substantially smaller number of publications with respect to the others; and, finally, to use spectroscopic techniques such as Raman and hyperspectral camera to determine the effects of magnetic fields, water and various osmotic solutions on the chemical compounds present in Triticale seeds. The work is structured according to the modality thesis by compendium of publications, which for greater clarity have been ordered following the index of the work and the chronological order in which the experiments were carried out, which does not necessarily coincide with the sequence in which they were published. The experimental part was divided into three types of tests carried out with Triticale seeds: germination, absorption and tests using spectroscopic techniques. In turn, there were four types of germination tests: Triticale subjected to magneto-priming, Triticale subjected to magneto-priming and water and saline stress, modelling of the germination process using the hydro-time method, and modelling of the germination process using the magneto-time or magnetic-time method. The absorption tests consisted of a similar structure. Studies were made of the absorption of Triticale subjected to magneto-priming, and to magneto-priming and water and saline stress, and their respective modelling. Finally, tests were performed using Raman and hyperspectral camera spectroscopic techniques. Five germination tests were first carried out at different temperatures to compare the performance of seeds subjected to magneto-priming and control seeds through different germination parameters. The first two tests were used to detect possible errors in the procedure or to identify factors that could be modified in the following experiments. These tests were also used to determine the time after which the magnetic pre-treatment is effective. Then, the joint influence of magneto-priming and water and saline stress on the germination of Triticale seeds was studied in another experiment. The analysis of the results showed that magneto-priming clearly benefits germination, especially when stress is caused by NaCl. An experiment was conducted to study the suitability of the hydro-time model for Triticale seeds. This model, proposed by Bradford and used widely by many researchers, assumes that the germination rate of a lot of seeds is a linear and exclusive function of the water potential of the environment and serves to predict this rate for a specific plant species. The test was carried out with several previously set levels of water stress. The analysis of the results determined that the hydro-time model is applicable to Triticale seeds, obtaining high values of R2 (0.85). The results of this test was the publication A “Germination performance and hydro-time model for magneto-primed and osmotic-stressed Triticale seeds” (Romanian Journal of Physics, 2020). Finally, as very good results were obtained with the seeds subjected to magneto-priming, it was considered appropriate to carry out a test to determine the suitability of the magnetic-time model (similar to the hydro-time model) for Triticale seeds, also framed within germination tests. The model assumes that all the factors that affect germination remain constant and only the intensity of the magnetic field is variable. An R2 value greater than 98% was obtained, which indicates that the model explains the germination process of Triticale seeds perfectly. Other constants associated with the model were also calculated, as well as different parameters related to germination already looked at in previous tests. The results of this experiment led to the publication of the article “Magnetic-time model for triticale seed germination” in the Romanian Journal of Physics in the year 2019 (Publication I of this thesis). The absorption tests were then carried out, divided into two groups: tests on Triticale seeds subjected only to magneto-priming, and tests on seeds subjected to magneto-priming and water stress. In the first group, three water absorption tests were carried out to model the absorption phenomenon in Triticale seeds and study the possible influence of magneto-priming in this context. Next, the level of agreement between the data obtained and the Peleg absorption model was determined. The R2 values were always greater than 97%. Several models from the bibliography were studied, but the one cited was finally chosen due to its relative simplicity and its success in predicting the absorption curves of numerous seeds and fruits. Based on this, and together with the results that were obtained in the first five germination tests with seeds subjected to magneto-priming, the article “The use of Peleg's equation to model water absorption in Triticale (X Triticosecale Wittmack) seeds magnetically treated before soaking”, publication II of this thesis was published in the Romanian Journal of Physics (2019). Two of the second type of absorption tests were carried out to study the absorption of water in seeds subjected to water and saline stress using solutions with different concentrations of PEG and NaCl to generate different potential values (the lower the magnitude in a solution, the greater the stress the seeds were subjected to). It could be seen, once again, that the magneto-priming technique acts positively on the seeds, causing them to absorb more water under adverse conditions (under water and saline stress in this case). Magneto-priming was found to be more effective on seeds that are in contact with NaCl than with PEG. Finally, the lower the water potential of the medium was, the lower the amount of water absorbed by the seed. The absorption curves obtained under PEG and NaCl fit very well to a logarithmic model (R2 > 0.95 in all cases) and also to the already described Peleg model (R2 > 0.9 in most cases). The results of this experimentation gave rise to the article “Effects of polyethylene glycol and sodium chloride stress on water absorption of magneto-primed triticale seeds”, publication III of this thesis (Romanian Reports in Physics, 2020). Once the study of water absorption and germination in Triticale seeds under different conditions had been completed, a more exhaustive analysis at the cellular level of the effects of the magneto-priming phenomenon and water stress was carried out. This involved the tests using spectroscopic techniques: Raman and hyperspectral camera. These techniques make it possible to analyse whether a multitude of chemical substances are present or not in the studied seed. Electromagnetic radiation is used, affecting the sample, which is altered by a multitude of processes until it becomes the response light, which, so to speak, returns the sample. Two experiments were performed with each technique. Based on the tests using Raman, it was concluded that using this technique together with magneto-priming is an appropriate method for obtaining and analysing information on the key components present in Triticale seeds, whether they were subjected to water and saline stress or not. Publications B and C: “Magneto-primed Triticale seeds studied by Micro-Raman spectra” y “Micro-Raman spectroscopy characterization of magneto-primed and drought-stressed Triticale seeds”. Finally, equally positive conclusions were obtained using the hyperspectral camera. The spectral reflectance in the 400-1100 nm segment was clearly benefited by the magneto-priming applied to the Triticale seeds. This technique therefore constitutes a suitable method for exploring the structure of the seed and making distinctions between seeds subjected and not subjected to water and saline stress. Publication D: “Application of hyperspectral imaging in the assessment of drought and salt stress in magneto-primed Triticale seeds”.