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Productos de Silicio: Ayudan a las plantas a superar estrés biótico y abiótico

El silicio (Si), el segundo elemento más abundante sobre la corteza de la tierra luego del oxígeno, es considerado un elemento benéfico para el desarrollo y crecimiento de las plantas. El silicio permite que las plantas logren sobreponerse a los efectos del estrés biótico y abiótico. Lamentablemente, los beneficios del Si nunca fueron tomados muy en cuenta hasta los inicios del siglo XX, en gran medida por la falta de síntomas visibles tanto de la deficiencia como de la toxicidad de Si en las plantas. Por esta razón por muchos años los investigadores no realizaron ensayos ni estudios con este elemento. Sin embargo, en muchas condiciones agronómicas las plantas están enfrentadas a severas condiciones de estrés, especialmente en suelos con disponibilidad bajas o limitantes de Si. De esta forma en la comunidad científica primero y luego entre agricultores se comenzó a entender la importancia del silicio en el desarrollo de las plantas. Ya se han realizado 5 congresos mundiales sobre Silicio ( Estados Unidos 1999, Japón 2002, Brasil 2005, Sudáfrica 2008 y China 2011). Y de esta forma el uso de diversas formulaciones con silicio comenzó a popularizarse entre los agricultores. El Profesor Lawrence E. Datnoff, del Departamente de Patología y Fisiología Vegetal de Luisiana State University Agricultural Center en Estados Unidos, ofrece en esta edición de New Ag International su visión sobre la incorporación de este elemento en los planes de manejo y su rol para potenciar a las plantas frente a situaciones de estrés biótico y abiótico.

Silicio se refiere al elemento químico Si y se encuentra en la tabla periódica de los elementos en la columna IV-A, directamente bajo el carbono©. Tiene un número atómico 14 y es un metaloide tetravalente. La silica (SiO2) se refiere al dióxido de silicio, y es el mayo constituyente de la arena. Los silicatos (SiO3-2) se encuentran en asociación con los siguientes cationes: Ca+2, Na+, Mg+ y K+ y forman los siguientes compuestos cristalinos- CaSiO3, Na2SiO3, MgSiO3 y K2SiO3. El ácidio silícico, Si (OH)4 (también conocido como ácido mono-salícico o ácido orto-salícico) se refiere a la forma soluble de Si que está disponible para ser absorbida por las raíces de las plantas. La silicona, R2SiO –donde la R es un grupo orgánico- se utiliza en la fabricación de productos plásticos y gomas.

MUCHOS SUELOS DEL MUNDO SON DEFICIENTES EN SILICIO SOLUBLE

La mayoría de los suelos contienen grandes cantidades de Si soluble con concentraciones en el rango de 3.5 a 40 mg de Si L-1. Las concentraciones de esta magnitud son comunes en varios nutrientes inorgánicos como SO4, K, Ca y se encuentran en exceso en las concentraciones de fosfato en la solución del suelo. Sin embargo, la disolución del Si desde los minerales del suelo es lenta y su adsorción por el suelo y las prácticas agrícolas intensivas hacen que los niveles de Si disponible se reduzcan considerablemente hasta el punto de que es necesario suplementar con productos a base de Si para obtener las producciones agrícolas deseadas. Algunos suelos tienen bajos niveles de Si disponible. Este tipo de suelos son comúnmente suelos muy lavados, lixiviados, acídicos, con una baja base de saturación y que contienen grandes cantidades de sesquióxidos (ejemplo, óxido de aluminio, Al2O3). Por esta razón, suelos altamente lavados como Oxisols y Ultisols pueden tener niveles bajos de Si disponible para las plantas. Y suelos altamente orgánicos como los Histosols, bajos en minerales también pueden tener bajos niveles de Si. Más aún, algunos suelos principalmente compuestos de arena cuarzo, silica (ejemplo, los entisols arenosos) pueden tener altos niveles de Si insoluble pero bajos niveles de Si disponible para las plantas. Muchas mezclas de suelos caen en esta categoría también. Estas condiciones de suelos con baja disponibilidad de Si disponible se encuentran en grandes zonas agrícolas de África, Asia, las Américas e incluso en Europa.

UN CONSTITUYENTE CLAVE DE LAS PLANTAS

Todas las plantas cultivadas sobre suelo van a contener Si en sus tejidos, y se ha demostrado que 44 clados de angioespermas (que representan más de 100 órdenes o familias) también contienen silicio en sus tejidos. Para determinar si las plantas acumulaban Si los estudios anteriores se enfocaban en medir Si en el follaje y no en otros órganos de las plantas. Recientemente se ha demostrado que algunas especies vegetales – ej. Tomate y pimiento- acumulan más Si en sus raíces que en sus brotes. La extracción de silicio hacia los brotes varía según la especie y el nivel de madurez de la planta, con un rango de concentración que va desde 0.1% a 10%, en base a materia seca. Las plantas monocotiledóneas tenderán a acumular más Si en sus tejidos que las plantas dicotiledóneas. En general los pastos de humedades tendrán entre 4.6 y 6.9%, mientras que los pastos en praderas secan varía entre 0.5 y 1.4%. Las plantas dicotiledóneas tienen en general menos de 0.23%. En la parte baja de este rango, 0.1%, esto es similar a las porcentajes de macronutrientes como Ca, Mg, P y S. Y en la parte alta, 10%, la concentración en los tejidos supera la de nutrientes minerales como N o K. Por todo esto, se establece que el Silicio es claramente un constituyente mayor de las plantas. La diferencia en la capacidad de acumulación de Si entre diferentes plantas se atribuye principalmente a las diferentes habilidades de las raíces para absorber Si. Como mencionamos anteriormente, las raíces extraen ácido salícico y se han identificado y caracterizado transportadores en las raíces que juega un rol muy activo en la acumulación de Si. Este trabajo se ha realizado en trigo, soja, arroz, maíz, zapallo y cebada. Una vez que pasa la barrera de la raíz, el Si se mueve por el xilema a través de transportadores y/o por transpiración hacia la endodermis de la raíz, membranas celulares del vascular bundle y las células de la hoja en la epidermis justo debajo de la cutícula. Una vez dentro de una célula, ocurre un proceso natural de polimerización que convierte el ácido silício en silica insoluble (SiO2-nH2O; también conocido como gel de silica o fitolítidos).

VARIAS FUENTES DE SILICIO EN EL MERCADO

Hay una serie de fuentes sólidas y líquidas de Si en el mercado, que han sido utilizados como enmiendas de suelo o fertilizantes: Diatomita, silicato de calcio, metasilicato de sodio, silicato de potasio, silicato de magnesio, ácido ortosilícico, dióxido de silicio hidratado, metasilicato de calcio. Para que estos materiales sean útiles, deben cumplir con una serie de criterios, que incluyen un contenido relativamente alto de Si soluble, una condición material que facilite su almacenaje y aplicación y que no contengan sustancias que contaminen el suelo como los metales pesados. Las fuentes sólidas que han sido utilizadas con éxito en incorporaciones al suelo incluyen la wallastonita – un silicato de calcio CaSiO3 natural- un subproducto de las industrias del fosfato y el acero, termofosfato y cemento. Los residuos de cultivo ( ejemplo, cáscara de arroz) también son una fuente potencial, pero debido a su lenta solubilidad en el suelo, no les permite suplementar las necesidades inmediatas de los cultivos. Varios de estos materiales se aplican en pre-plantación en tasas que van desde 300 a 800 kg de silicio elemental por hectárea. Las fuentes líquidas incluyen silicatos de potasio o sodio y se utilizan principalmente en producciones hidropónicas a tasas de ~2mM Si. También se utilizan silicatos líquidos en aplicaciones foliares, principalmente para controlar enfermedades. Sin embargo, para diferentes combinaciones hospedero:enfermedad (trigo/pepino: oídio; soja/roya; arroz/mancha marrón) las plantas respondieron mejor con las aplicaciones de Si a las raíces que en forma foliar. En el 2007, un silicato de potasio (Sil-MATRIX®, PQ Corporation) fue registrado por la Environmental Protection Agency (EPA) en Estados Unidos y certificado por Organic Materials Review Institute (OMRI) como un pesticida orgánico para el control preventivo de oídio y el control de ácaros y áfidos en cultivos de alto valor como uva vinífera, fresas, arándanos, entre otros.

¿UN ELEMENTO ESENCIAL?

n los años 50s Japón y Corea del Sur fuero los primeros países en reconocer la importancia del Si en la producción agrícolas,

especialmente en arroz. Ellos clasificaron este elemento como esencial. En el 2004, Brasil fue el tercer país en reconocer formalmente el silicio. El Ministerio de Agricultura de Brasil, que regula la producción comercial de fertilizantes estableció que el Si es un micronutriente benéfico. En la actualidad, el Si todavía no es reconocido como un elemento esencial y en muchos países se vende solo como una enmienda o acondicionador de suelos en vez de como un fertilizante. Y esto se debe en gran parte a la forma cómo se definen los nutrientes de las plantas, la que se base en tres criterios desarrollados por Arnon y Stout (Epstein y Bloom 20051): 1) una deficiencia del elemento impide que la planta complete su ciclo; 2) la deficiencia es específica para el elemento en cuestión y 3) la deficiencia impacta directamente en la nutrición de la planta, como por ejemplo como constituyente de un metabolito esencial para la acción de un sistema enzimático. Epstein y Bloom 20051 han argumentado que hay dificultades con esta definición. Porque para el primer criterio, una planta puede tener una deficiencia bastante severa de un nutriente esencial y pese a ello puede completar su ciclo. El segundo criterio lo consideran reiterativo y finalmente, para el tercer criterio, que el elemento participe directamente en la nutrición de la planta, no incorpora la capacidad de corregir situaciones ambientalmente desfavorables. De hecho en muchos casos de descubrimiento de elementos esenciales no se han cumplido con estos criterios. Cuando se descubrió que el boro era esencial, nadie tenía la evidencia que el “elemento participaba directamente en la nutrición de la planta”. Por eso, Epstein y Bloom han propuesto lo siguiente: Un elemento es esencial si cumple con uno o dos de los siguientes criterios: (1) el elemento es parte de una moléculas que es un componente intrínseco de la estructura o metabolismo de una planta; (2) la planta puede ser tan severamente privada del elemento que exhibe anormalidades en su crecimiento, desarrollo o reproducción, en comparación con las plantas no deficitarias. Debido a que la “esencialidad” del Si para diatomáceas, Equisetum arvense ha sido bien establecida, pero no ha podido ser demostrada categóricamente para otras especies, Epstein y Bloom han propuesto que el Si es un un elemento “cuasi-esencial”.

UN ROL DOCUMENTADO EN LA REDUCCIÓN DE ESTRÉS ABIÓTICO

Se ha comprobado los efectos benéficos del Si, directo o indirecto, sobre las plantas bajo estrés abiótico (Tabla 1) en una variedad de cultivos, especialmente en arroz. Las hojas, tallos y panoja de las plantas de arroz que crecen en presencia de Si muestran un crecimiento erecto, sugiriendo que se mejora la distribución de la luz dentro de la canopia. El silicio puede afectar positivamente el efecto de la actividad de algunas enzimas que participan en la fotosíntesis en arroz y a su vez reducir la senescencia de la hoja del arroz. Un uso alto de N puede afectar la erectud de la hoja y por lo tanto disminuir la capacidad máxima de intercepción de luz, sobretodo en altas densidades de siembra. Sin embargo, el Si impactará positivamente en la erectud de la planta, mejorando la capacidad fotosintética. El silicio también puede ayudar a aliviar el estrés hídrico al disminuir la pérdida de agua en las hojas y disminuir la transpiración. La transpiración ocurre principalmente a través de los estomas y parcialmente a través de la cutícula.Y debido a que el Si es depositado bajo la cutícula, se puede disminuir la transpiración de esta parte de la planta. En adición, las plantas suplementadas con Si pueden mantener una mayor conductancia estomática, mayor contenido de agua y de potencial hídrico. Estas mismas razones deberían explicar el impacto positivo de este elemento frente al estrés por calor. Bajo situaciones de estrés por deficiencia de P, el Si potencia la disponibilidad de P interno al reducir la extracción en exceso de Mn y Fe. Y ante altas concentraciones de P, el silicio puede reducir el daño al reducir la extracción de P o al reducir la transpiración. También se ha reportado que el silicio protege a la planta de la toxicidad por metales, como Al, Cd, Fe, Mn y Zn. Para los metales Al, Cd, Fe y Zn, se atribuyen los efectos del Si a la interacción entre este elemento y estos metales en el simplasto o apoplasto. Más aún, la reducción de la toxicidad de estos metales se cree que ocurre por complejación y/o por compartimentación con Si en el citoplasma y la secuestración en las vacuolas o paredes celula