Ultrasonic Priming of Seeds: How Sonication Improves Germination

El cebado ultrasónico de semillas y granos da lugar a una germinación más completa y rápida y a un mayor rendimiento de los cultivos. Los ultrasonidos perforan la testa de la semilla (recubrimiento de la semilla) y aumentan la absorción de agua, nutrientes y oxígeno en los granos de la semilla. La imprimación ultrasónica de las semillas es un método sencillo y de bajo coste para mejorar el índice de germinación y la velocidad de las plántulas.

Germinación de semillas mejorada por ultrasonidos

La imprimación es un método de pretratamiento utilizado para acortar el tiempo de germinación de las plántulas. Se han desarrollado varios procesos de imprimación de semillas, como la imprimación osmótica, la hidroimprimación y la imprimación ultrasónica, para inducir los primeros procesos de germinación. El cebado ultrasónico es un método muy ventajoso de preparación de semillas, ya que el tratamiento de sonicación es rápido, ahorra energía y agua.
Las semillas imprimadas que han completado los primeros procesos de germinación muestran un mayor porcentaje de germinación y un tiempo de emergencia más rápido (el tiempo que tardan las semillas en elevarse por encima de la superficie del suelo), una mayor tasa de emergencia (el número de semillas que consiguen llegar a la superficie) y un mejor crecimiento, lo que sugiere que la ventaja inicial les ayuda a tener un buen sistema radicular desde el principio y a crecer más rápido. Este método puede ser útil para los agricultores porque les ahorra dinero, trabajo y tiempo en fertilizantes, resiembra y plantas débiles.
El proceso también puede permitir una germinación más uniforme y homogénea de las semillas tratadas. También puede aumentar la germinación en un intervalo de temperaturas más amplio y reducir la incidencia de enfermedades en las semillas.

MultiSonoReactor for efficient seed priming using high-power ultrasound. Sonication enhances water, nutrient and oxygen uptake into the seeds by perforating the seed coating mildly.

Reactor industrial de ultrasonidos para la preparación nutricional industrial de semillas mediante ultrasonidos.

El cebado ultrasónico mejora el porcentaje de germinación de las semillas, el índice de vigor de las semillas (IVS) y la longitud de las raíces y los brotes de las plántulas. El proceso de sonicación y cebado refuerza la absorción de agua y/u otras sustancias beneficiosas en el grano de la semilla. Además, las ondas ultrasónicas activan reacciones enzimáticas y otras reacciones biológicas en la célula vegetal, lo que da lugar a una germinación más rápida y uniforme. Incluso las semillas/granos débiles pueden activarse, lo que mejora el rendimiento global de la siembra.

Escarificación y germinación de semillas

La escarificación es crucial para las semillas con cubiertas duras e impermeables que dificultan el intercambio de agua y gases, retrasando así la germinación. Los métodos tradicionales incluyen la escarificación mecánica, térmica y química, cada uno diseñado para hacer la cubierta de la semilla más permeable al agua y los gases. La sonicación, como método innovador de escarificación, aprovecha las ondas ultrasónicas para lograr resultados similares, si no superiores.

Mecanismos de los ultrasonidos de potencia en las semillas y el cebado de semillas

  • Cavitación en el agua:
    – Las ondas ultrasónicas en el agua inducen la cavitación, un fenómeno en el que se crean microburbujas. Estas burbujas se colapsan, generando una presión mecánica localizada.
    – Esta presión actúa sobre la cubierta de la semilla, causando una alteración mecánica.
  • Formación de microporos y microfisuras:
    – La presión mecánica de la cavitación crea microporos y microgrietas en la cubierta de la semilla.
    – Estos microporos y grietas aumentan la permeabilidad de la cubierta de la semilla, permitiendo que penetren más agua y oxígeno.
  • Mayor absorción de agua y disponibilidad de oxígeno

    1. Aumento de la porosidad:
    – Los estudios han demostrado que la sonicación aumenta la porosidad de las semillas, como las judías mungo, haciéndolas más receptivas al agua y al oxígeno.
    – Una mayor absorción de agua conduce a una mejor hidratación de los tejidos de la semilla, lo que es esencial para activar los procesos metabólicos necesarios para la germinación.

    2. Entrada de oxígeno mejorada:
    – La mayor permeabilidad a los gases garantiza que el embrión en desarrollo reciba el oxígeno adecuado, crucial para la respiración celular durante la germinación.

  • Mayor actividad enzimática

    1. Hidratación y activación enzimática:
    – El aumento de la hidratación debido a la mayor absorción de agua activa varias enzimas que intervienen en la germinación.
    – En concreto, aumenta significativamente la actividad de la alfa-amilasa, que es fundamental para la hidrólisis del almidón en azúcares, lo que proporciona energía a la plántula en crecimiento.

    Mejores resultados de germinación

    1. Mayor porcentaje de germinación:
    – El efecto combinado de una mayor disponibilidad de agua y oxígeno, junto con el aumento de la actividad enzimática, se traduce en un mayor porcentaje de semillas que germinan con éxito.
    – Las investigaciones indican que la sonicación mejora los índices de germinación en diversas especies vegetales.
    2. Mayor velocidad de germinación:
    – La sonicación no sólo aumenta el porcentaje de semillas germinadas, sino que también acelera el proceso de germinación.
    – La hidratación y la activación enzimática más rápidas facilitan una transición más rápida de la semilla a la plántula.

The UP400St is a 400W powerful ultrasonic homogenizer for seed priming, germination and sprouting.

ultrasonidos UP400St para el cebado de semillas en R&D y optimización del proceso. El tratamiento ultrasónico consigue una germinación más rápida, un perfil nutricional más elevado y un mayor vigor de las plántulas.

Resumen de las ventajas del cebado ultrasónico de semillas:

  1. Presión mecánica: La cavitación inducida por ultrasonidos ejerce una presión mecánica que aumenta la permeabilidad de la cubierta de la semilla.
  2. Aumento de la porosidad: La creación de microporos y grietas permite una mejor penetración del agua y el oxígeno.
  3. Mayor hidratación: Una mejor absorción de agua conduce a una mejor activación de las enzimas.
  4. Actividad enzimática potenciada: El aumento de la actividad de la alfa-amilasa acelera la hidrólisis del almidón.
  5. Mayores tasas de germinación: Más semillas germinan con éxito.
  6. Germinación más rápida: Las semillas germinan más rápidamente.

La sonicación favorece significativamente el cebado de las semillas al mejorar la absorción de agua, oxígeno y nutrientes, impulsar las actividades enzimáticas y, en consecuencia, mejorar tanto la velocidad como el índice de éxito de la germinación de las semillas.

Una sonicación más prolongada produce una mejor germinación de los híbridos de Calanthe. (Shin et al. 2011)

Una sonicación más prolongada se traduce en una mejor germinación de los híbridos de Calanthe. Cuanto más prolongada era la sonicación, más rápida era la germinación. Esto indica los efectos positivos de la ultrasonicación en la germinación de las semillas.
(estudio e imagen: ©Shin et al. 2011)

Ventajas:

  • Bajo coste
  • Ahorro de agua
  • Procesamiento rápido
  • Baja energía
  • Fácil & funcionamiento seguro

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¿Cómo funciona el cebado ultrasónico de semillas?

El cebado ultrasónico de semillas y granos produce una germinación más completa y rápida. Estos resultados se consiguen gracias a los siguientes efectos ultrasónicos:

  • Los ultrasonidos aumentan la porosidad de la semilla mediante cavitación acústica mejorando la absorción de agua y la disponibilidad de oxígeno (hidrocebado / remojo ultrasónico).
  • Los ultrasonidos aumentan la absorción de nutrientes y fertilizantes en las semillas.
  • El cebado ultrasónico mejora la transferencia de masa: el agua extra absorbida reacciona libre y fácilmente con el embrión celular. De este modo, el ácido giberélico se libera y provoca un aumento del ritmo de los procesos metabólicos en las células de la aleurona.
  • La sonicación ayuda a la movilización de los nutrientes del endospermo mediante la disrupción de la membrana celular. (Miano et al. 2015)
  • Los ultrasonidos activan las reacciones enzimáticas y otras reacciones biológicas.

La sonicación favorece la germinación del grano/semilla y aumenta el rendimiento del cultivo. Además de en cultivos y frutales, el cebado ultrasónico de semillas también se ha probado con éxito en semillas de flores (orquídeas, loto, calanthe). La ultrasonicación mejora la permeabilidad de las paredes celulares, de modo que la semilla presenta una absorción significativamente mayor de agua y nutrientes (por ejemplo, fertilizantes).
Se ha demostrado que el tiempo de remojo de los garbanzos, el sorgo y las judías blancas se redujo significativamente mediante el uso de la sonicación.

Ultrasonic seed priming and germination

Lentejas sonicadas (40Ws/g w/ UP200St) en comparación con las lentejas no sonicadas: Las lentejas sonicadas muestran una mayor tasa de geminación y brotes más largos.

Sistemas ultrasónicos de cebado de semillas

Aproveche las ventajas de los sonicadores Hielscher para una mejor imprimación de semillas. Hielscher Ultrasonics suministra varios ultrasonidos de sobremesa e industriales para el cebado de semillas y granos. Las ventajas de utilizar los sonicadores Hielscher para el cebado de semillas son múltiples. En primer lugar, el control preciso de los parámetros ultrasónicos, como la amplitud, la intensidad y la duración, permite un tratamiento optimizado adaptado a los tipos y condiciones específicos de las semillas. En segundo lugar, todos los resultados del proceso obtenidos pueden escalarse linealmente a mayores producciones.
Tanto si está interesado en probar y optimizar su proceso de cebado por ultrasonidos en el laboratorio como si desea procesar grandes lotes de semillas en rendimiento continuo, Hielscher tiene el sonicador ideal para sus requisitos de procesamiento de semillas. Los sonicadores Hielscher están diseñados para ser escalables y pueden manejar grandes volúmenes de semillas de manera eficiente, por lo que son adecuados tanto para la investigación como para aplicaciones comerciales. Los equipos son fáciles de usar, con controles intuitivos y una construcción robusta, lo que garantiza su durabilidad a largo plazo y bajos requisitos de mantenimiento. Además, la sonicación es un método no químico, lo que la convierte en una opción ecológica para el tratamiento de semillas. Reduce la necesidad de agentes químicos de escarificación, lo que contribuye a unas prácticas agrícolas sostenibles. Por supuesto, todos los sonicadores pueden funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana.

Ventajas de los sonicadores Hielscher para el cebado de semillas:

  • Costes bajos
  • Ahorro de agua
  • Procesamiento rápido
  • Bajo consumo de energía
  • Fácil & funcionamiento seguro

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Información interesante

¿Qué es la preparación de semillas?

La imprimación es el tratamiento previo de las semillas, que desencadena el llamado metabolismo pregerminativo del grano.
Se conocen varios métodos de imprimación (por ejemplo, imprimación hidropónica, imprimación osmótica, imprimación de matriz sólida), que pueden aplicarse para mejorar la tasa de germinación de las semillas, el porcentaje de germinación y la uniformidad de la emergencia de las plántulas mediante el control del agua disponible en la semilla. El pretratamiento inicia las primeras etapas de la germinación, pero no permite la protrusión de la radícula, y luego las semillas se secan hasta que se necesitan.
Se ha demostrado que el cebado por ultrasonidos es muy eficaz y da como resultado un mayor rendimiento, una nascencia más rápida y una germinación más uniforme.
Especialmente en condiciones exigentes, como en climas semiáridos y áridos, el uso de plántulas imprimadas tiene ventajas significativas. La imprimación garantiza que las semillas germinen y crezcan incluso en climas inhóspitos.

¿Cuáles son los distintos métodos de preparación de semillas?

La imprimación de semillas es un tratamiento previo a la siembra destinado a mejorar la germinación de las semillas y el crecimiento de las plántulas. Se emplean varios métodos, cada uno con procesos y beneficios distintos. El hidrocebado consiste en sumergir las semillas en agua durante un periodo determinado antes de secarlas hasta su contenido de humedad original, lo que mejora la velocidad de germinación y la uniformidad. El osmopriming utiliza una solución osmótica, como el polietilenglicol, para controlar la absorción de agua y evitar la sobreimbibición, mejorando así la germinación en condiciones subóptimas y aumentando la tolerancia al estrés en las plántulas. Estas técnicas de cebado pueden intensificarse significativamente mediante sonicación, ya que los ultrasonidos perforan el recubrimiento de la semilla y facilitan la absorción del agua, los nutrientes o la solución osmótica.

El halopriming consiste en sumergir las semillas en soluciones de sales inorgánicas como el cloruro sódico o el nitrato potásico, lo que aumenta la tolerancia a la salinidad y a otros estreses abióticos y mejora el vigor de las plántulas. La preparación hormonal trata las semillas con hormonas vegetales como las giberelinas y las citoquininas, que estimulan procesos fisiológicos específicos para mejorar la germinación y el desarrollo de las plántulas. El nutripriming utiliza soluciones nutritivas que contienen minerales esenciales para mejorar la eficacia de la absorción de nutrientes y promover el crecimiento de las plántulas. Se ha demostrado que el nutripriming es especialmente eficaz cuando el proceso de cebado de las semillas está asistido por sonicación.

El biopriming trata las semillas con microorganismos beneficiosos, como bacterias u hongos, para mejorar la resistencia a las enfermedades y promover el crecimiento y la tolerancia al estrés. La imprimación térmica consiste en exponer las semillas a tratamientos de temperatura controlada, ya sea mediante remojo en agua a diferentes temperaturas o calor seco, lo que mejora la germinación en semillas con problemas de latencia y aumenta la tolerancia a temperaturas extremas. La imprimación hidrotérmica combina tratamientos de hidratación y temperatura para mejorar el vigor de las semillas y romper el letargo.

La imprimación con matriz sólida (SMP) mezcla las semillas con un material de matriz sólida húmedo, como vermiculita o compost, que controla la absorción de agua y mejora la emergencia de las plántulas. La imprimación con extractos naturales consiste en sumergir las semillas en extractos de plantas o algas marinas, utilizando compuestos bioactivos para mejorar la germinación y proporcionar resistencia al estrés. Por último, la imprimación ultrasónica, o sonicación, expone las semillas a ondas ultrasónicas en el agua, provocando cavitación y presión mecánica que aumenta la permeabilidad de la cubierta de la semilla y mejora la absorción de agua y oxígeno, lo que conduce a una mejor germinación.

Cada método de cebado ofrece ventajas únicas y se selecciona en función del tipo de semilla, los requisitos del cultivo y las condiciones ambientales, lo que mejora significativamente el índice de germinación, la uniformidad y el rendimiento general de la semilla.

Literatura/Referencias

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