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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA
Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E
INVESTIGACIÓN
DOCTORADO
EN
COMUNICACIONES
Y
ELECTRÓNICA
PARAMETROS DE IRRADIACIÓN
LÁSER
PARA PRODUCIR EFECTOS DE ESTIMULACIÓN
EN SEMILLAS DE MAÍZ
(Zea mays L.)
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN CIENCIAS
EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTA
M. EN C. CLAUDIA HERNÁNDEZ AGUILAR
DIRECTOR DE TESIS
DR. ALEXANDER MICHTCHENKO
MÉXICO, D.F.
ENERO DEL 2005
RESUMEN GENERAL
Considerando la necesidad de nuevos métodos ecológicos para emplearse en la
agricultura, y en particular de aquellos que buscan mejorar la calidad de la semilla; en
esta investigación se plantearon los siguientes objetivos: 1). Determinar el tipo de láser
a emplear para producir efectos de estimulación en la semilla de maíz. 2). Determinar
los tiempos e intensidades de irradiación láser de baja intensidad que pueden producir
efectos benéficos en la semilla de maíz;
3). Determinar si la irradiación con un láser
de baja intensidad modifica el vigor de la semilla de maíz, teñida y no teñida con
colorante. 4). Analizar la influencia de la irradiación láser de baja intensidad en el
contenido de clorofila de las hojas de plántulas provenientes de semilla tratada con dos
niveles de intensidad
y cuatro tiempos de irradiación
semiconductor de AsAlGa, y
emitida por un láser
5). Estudiar el efecto de diferentes intensidades y tiempos
de irradiación láser, sobre la calidad sanitaria de la semilla de maíz. Los experimentos
se llevaron a cabo en la estación experimental, Invernadero y Laboratorios del Colegio
de postgraduados, Montecillo, Texcoco, Estado de México. En base a los objetivos
planteados el estudio comprendió las siguientes cuatro fases. Fase 1. Considerando
que un problema dentro de la industria semillera es la producción de semillas con bajo
vigor; se propuso en este estudio mejorar el vigor mediante el empleo de la luz láser de
baja intensidad en la semilla de maíz
(Zea mays L.) como tratamiento previo a la
siembra. Para ello en una primera fase, bajo un diseño factorial empleando como fuente
emisora un láser semiconductor de AsAlGa (Arseniuro-Aluminio-Galio), con salida de 30
mW de potencia y longitud de onda de 660nm fueron aplicados 3 intensidades y 6
tiempos de irradiación en semillas del híbrido de cruza simple CL1 x CL4, coloreadas
previamente con rojo metil. Los resultados obtenidos indicaron, que a determinada
combinación de tiempo e intensidad de irradiación láser en la semilla se incrementó
significativamente la velocidad de emergencia, peso seco y emergencia de plántulas.
La combinación con la cual se obtuvo el mejor resultado fue a una intensidad de 20
mW/cm2 durante un tiempo de 1 minuto; ya que el incremento fue altamente significativo
(p
0.01) en velocidad de emergencia de plántulas (42.89%), en peso seco (63.24%) y
en % de emergencia (48.07%) con relación a la muestra de control (no radiada). Fase
2. En una segunda fase se estableció en condiciones de invernadero otro experimento,
empleando semilla sin colorear. Se aplicaron 16 tratamientos de luz láser en semillas no
coloreadas del híbrido de maíz CL1 x CL4, manejando un
diseño
factorial de 4
intensidades y 4 tiempos de irradiación emitidas por un láser de AsAlGa en una longitud
de onda de 660nm. La radiación láser incrementó significativamente la velocidad de
emergencia, peso seco y % de emergencia de plántulas. Los resultados puntualizan que
la combinación que obtuvo una mejor respuesta fue a una intensidad de 10 mW/cm2
durante un minuto; tratamiento que originó incrementos significativos (p
0.05) en
velocidad de emergencia (33.19%), en peso seco (14.45%) y en % de emergencia
(25%) con relación al control (muestras de semillas no irradiadas). Fase 3. Al interactuar
la luz láser con la semilla de maíz produce efectos de fotoactivación en los genes
responsables del contenido de pigmento en las hojas; de esta forma se condujo un
experimento cuyo propósito fue investigar el efecto producido en el contenido de
clorofilas en hojas de plántulas de maíz, cuya semilla fue tratada con luz láser emitida
por un láser semiconductor de AsAlGa. El espectro de absorción óptico de una porción
de las hojas de las plántulas fue obtenido mediante la técnica de espectroscopía
fotoacústica. El espectro de absorción de una porción de las hojas fue obtenido para
evaluar las diferencias cualitativas en los picos de absorción de las clorofilas a´s y
clorofilas b´s. Los resultados para ambas clorofilas revelaron diferencias significativas (p
0.05) entre los tratamientos evaluados, decrementando hasta un 22.731% el nivel de
la señal fotoacústica a un tiempo de 30 segundos, e intensidad de 27.3 mW/cm 2 el nivel
de clorofila a y aumentando
9.96%, para un tiempo de 5 minutos y un
Intensidad de I1 = 4.9 mW/cm2, la clorofila b.
nivel de
Fase 4. Por último la existencia de
hongos que deterioran la calidad de la semilla, indujo a conocer qué está pasando con
la micoflora asociada a la semilla de maíz. Se empleó un diodo láser semiconductor de
660 nm y P = 27.4 mW, aplicando cinco tiempos de irradiación (30, 60, 180, 300 y 600
segundos) y dos niveles de intensidad de irradiación ( I1 = 16.31 e I2 = 4.65 mW/cm2).
Posterior a la irradiación a las semillas se llevó a cabo la prueba de germinación y de
sanidad
de
la
significativamente
semilla,
encontrándose
que
la
irradiación
láser
disminuyó
la cantidad de semilla infestada con el hongo fusarium s.p..
La
combinación de I1 e I2 a un tiempo de irradiación de 5 minutos dio lugar a una reducción
significativa
(p
0.05) en la cantidad de semilla infestada con el hongo (66.66%), con
relación al control (no radiada).
De este conjunto de resultados se desprende que la aplicación de la luz emitida por
láseres semiconductores o diodos láser puede convertirse en una alternativa potencial
para el manejo de la calidad de la semilla de maíz.
PALABRAS CLAVE : Zea mays, semillas de maíz, radiación láser, vigor de la semilla,
clorofila, espectroscopia fotoacústica, hongos, fusarium, diodo láser.
GENERAL SUMMARY
High seed quality is absolutely necessary in the context of modern crop production
systems, and it is a specific requirement because affects crop establishment, growth and
yield, therefore, the development of a technique for improved quality is very important,
considering the world problem at present and in the future, For this proposes, the effects
of low intensity laser irradiation on Zea mays L. The experiments were conducted in the
experimental station, greenhouse and laboratories of the Post- graduated College. A
factorial of three intensities and six times of GaAlAs laser radiation, with an output power
of 30 mW and wavelength of 660 nm, was applied in pre-sowing to seeds from a single
cross hybrid: the seeds were soaked in the dye methyl red. The laser seed irradiation
significantly increased seedling emergence rate, seedling dry weight and emergence in
soil. Due that laser irradiation originated positive and negative bio-stimulations in seed
vigour, it was very important to estimate the specific combination of parameters. In this
study, the optimum combination was an intensity of 20 mW/cm 2 during one minute; this
treatment originated highly significant (p
0.01) increases in seedling emergence rate
(42.89%), in dry weight (63.24%) and emergence (48.07%) with relation to the control
(without irradiation).
On the other hand a factorial of four intensities and four times of AsAIGa laser radiation
at a wavelength of 660 nm was applied in pre-sowing to seeds from a single cross
hybrid. The laser seed irradiation significantly increased seedling emergence rate,
seedling dry weight and emergence in soil. The results of our study point to that, the
optimum combination was an intensity of 9.7 mW/cm2 during 1 minute; this treatment
originated highly significant (p
0.05) increases in seedling emergence rate (33.19%), in
dry weight
(14.45%) and emergence (25%) with relation to the control (without
irradiation).
Other experiment was when the seeds were exposed to different laser
intensities and radiation times . The optical absorption spectra of their seedling leaves
was obtained, by using photoacoustic spectroscopy, in order to obtain qualitative
differences in the chrolorophyll a and b absorption peaks. A randomized complete block
experimental design with 3 replications was utilized. The experimental unit was 10
seeds, from which we randomly choose three seedlings. Data were subjected to variance
analysis (anova) using the SAS GLM procedures (SAS, 1998 version) The least
significant difference test (LSD) at the 5% probability level was studied for comparing
treatments (3). The anova for both chlorophylls revealed highly significant (p
0.05)
differences among treatments. In chlorophylls a and b at 30 seconds of irradiation time
and 27.3 mW/cm2 of laser intensity, the PA signal decreases 22.75% and 16.2%
respectively, when compared with the PA signal amplitude of control sample. In other
study we investigated about the effects of the low intensity laser irradiation on the
Mycoflora content in corn seeds. Also the effects
on the germination, grown and
morphology of the seedlings, under controled confitions, were studied. Five irradiation
times were applied (30, 60, 180, 300 and 600 seconds and two intensity levels (( I1 =
16.31 e I2 = 4.65 mW/cm2) by using a diode laser ( = 660nm and power of 27.4 mW).
After of the seed irradiation studies of germination and seed healthy were developed.
Laser irradiation significantly diminish the quality of seeds infested with Fusarium s.p.
fungi. The combination of I1 and I2 , at five minutes of irradiation time, diminish (p
0.05) the quantity of infested seeds with the fungi up to 38.88% when compared with
the control seed (no irradiated)
From these results the laser irradiation seed enhancement technology deserves further
investigation in maize.
Key words:
Zea mays L., laser irradiation, laser semiconductor, diode laser, seed
vigour, seed enhancement, seedling emergence. Chrolorophylls, fungi, fusarium.