El creciente interés de los consumidores por los productos orgánicos está impulsando el auge del sector agrícola. Sin embargo, la productividad de la agricultura orgánica fue menor que la de la convencional debido a la reducción de insumos externos, fertilizantes sintéticos y pesticidas. En este contexto, el uso de bioestimulantes orgánicos surgió como una solución prometedora. Se ha demostrado el beneficio de integrar el uso de bioestimulantes en la gestión de la agricultura orgánica para mejorar el desarrollo de las plantas y, por consiguiente, la productividad de los cultivos.
Introducción
La agricultura ecológica es un enfoque agrícola orientado a la producción de alimentos mediante sustancias y procesos naturales. Representa un sistema integral de gestión de la producción que fomenta y mejora la salud de los agroecosistemas, abarcando aspectos como la biodiversidad, los ciclos biológicos y la actividad biológica del suelo. Se basa en la reducción de la dependencia de insumos externos y la eliminación del uso de fertilizantes y pesticidas sintéticos. La agricultura ecológica es un sector en rápido crecimiento en la agricultura de la Unión Europea (UE), impulsado por el creciente interés de los consumidores por los productos ecológicos. En 2021, la agricultura ecológica cubría aproximadamente 15.9 millones de hectáreas de tierras agrícolas en la UE, lo que equivale al 9.9 % de la superficie agrícola total utilizada. Esto supuso un aumento significativo respecto a los 9.5 millones de hectáreas dedicadas a la producción agrícola ecológica en 2012. Esta expansión ha contado con el apoyo en los últimos años de la estrategia «De la granja a la mesa» del Pacto Verde Europeo. Esta estrategia pretende abordar los retos de crear un sistema alimentario sostenible, saludable y respetuoso con el medio ambiente. Para lograrlo, propone, entre otras cosas, que el 25% del total de las tierras agrícolas de la UE estén bajo agricultura ecológica certificada en 2030.
Varios informes han enfatizado que la agricultura orgánica tiende a producir menos que la convencional. Un metaanálisis destacó que las variaciones en el rendimiento, que oscilan entre un 5 % y un 34 % menos en los sistemas orgánicos, dependen en gran medida de las características del sistema y del sitio. En un metaanálisis posterior, se observó un rendimiento un 18.4 % menor en la agricultura orgánica en comparación con los métodos convencionales, con la mayor variación en los subtipos de temperaturas cálidas, cultivos específicos, regiones y tipos de suelo. Abordar esta limitación y desafío en la agricultura orgánica requiere la integración de nuevas tecnologías y estrategias de gestión, lo cual resulta crucial.
El uso de bioestimulantes se perfila como una solución prometedora para mejorar la productividad de la agricultura sostenible. Esto se atribuye a su bioactividad, la ausencia de efectos tóxicos en organismos no objetivo y su baja persistencia ecológica. La composición de los bioestimulantes se basa en una combinación compleja de compuestos naturales como aminoácidos, extractos de algas, ácidos húmicos y fúlvicos, y extractos botánicos, entre otros. Sus mecanismos de acción se distinguen por fomentar la tolerancia al estrés abiótico, mejorar la calidad de las plantas, el suelo y la rizosfera, y optimizar la utilización de nutrientes. Los bioestimulantes diseñados para mejorar el enraizamiento adquieren especial relevancia debido a que el desarrollo de la arquitectura del sistema radicular (RSA) es crucial para asegurar la supervivencia y la productividad de las plantas. Esta importancia se atribuye a las diversas funciones de la RSA, que abarcan la absorción de nutrientes y agua, el anclaje y el soporte mecánico, y actúan como interfaz principal entre la planta y diversos factores de estrés en el entorno edáfico. Especialmente en la agricultura orgánica, donde los fertilizantes orgánicos aportan nutrientes en menores cantidades durante un período prolongado, el desarrollo eficaz de la RSA cobra gran importancia. Esto se debe a que permite lograr un crecimiento robusto con concentraciones mínimas de nutrientes.
Materiales y Métodos
Composición del bioestimulante
Un innovador bioestimulante orgánico a base de aminoácidos y extracto de algas.
Material vegetal, condiciones de cultivo y tratamiento
Se cultivaron plantas de pepino (Cucumis sativus L.) cv. Marketmore en condiciones controladas, con un fotociclo de 24/21 °C día/noche, 70 % de humedad relativa y 16/8 h de luz/oscuridad. La germinación de las semillas se realizó en vermiculita como sustrato inerte. Tras tres semanas, se trasplantaron 275 plántulas a un sistema de cultivo hidropónico. Cada plántula se colocó en un recipiente de polietileno de 500 ml. La composición de la solución nutritiva modificada fue la siguiente: 5 mM de KNO3.3, 2.5 mM de Ca(NO3)2, 2 mM MgSO4, 1 mM de KH2PO4, 7 μM de MnCl2, 0.7 μM de ZnSO44, 0.8 μM de CuSO44, 0.8 μM de Na2Mugir4, 25 μM de Fe-EDDHA y 2 μM de H3BO3La solución nutritiva (pH 6.5) se reemplazó cuando la conductividad eléctrica fue ≤ 0.8 dS m-1. Es importante destacar que la aplicación de bioestimulante en diferentes dosis se realizó al mismo tiempo que el reemplazo de la nueva solución nutritiva. Los tratamientos de enraizamiento comenzaron después de 7 días de crecimiento de las plantas en la solución nutritiva. Los tratamientos de bioestimulante, administrados en dosis bajas, medias y altas (0.1, 0.2 y 0.3 mL por planta, respectivamente), se aplicaron a la solución nutritiva cada 10 días según lo recomendado por el fabricante, cuatro aplicaciones al final del experimento. Cada tratamiento consistió en cincuenta y cinco plantas, distribuidas aleatoriamente en 6 bloques, y estos tratamientos de enraizamiento se compararon con el control (solución nutritiva sin bioestimulante).
Parámetros de crecimiento vegetativo
Los parámetros de crecimiento de las plantas se evaluaron en cinco puntos de tiempo diferentes, cada 10 días, comenzando un día después de la primera aplicación (1, 10, 20, 30 y 40 días). En cada intervalo, se cosecharon seis plantas de cada tratamiento para determinar los parámetros físicos. El número de hojas se contó una vez que estaban completamente abiertas y el ancho del tallo principal se midió en la base del tallo con un calibrador Vernier digital. La altura de la planta se midió desde la base hasta el meristemo apical del tallo, mientras que la longitud de la raíz se midió desde la base del tallo hasta el meristemo apical de la raíz utilizando una escala métrica. El volumen de la raíz se determinó sumergiendo un sistema radicular previamente lavado y seco en un cilindro graduado lleno de un volumen conocido de agua, luego se registró el aumento del volumen de agua. El número de ramificaciones de la raíz se determinó contando las ramas de la raíz principal. La planta se separó en brote y raíz en la base del tallo, y el peso fresco de cada uno se midió utilizando una balanza electrónica. Posteriormente, las muestras de brotes y raíces se secaron al aire en un horno a 50 ℃ durante 48 h y luego se volvieron a pesar para determinar el peso seco (PS). Todas estas mediciones de raíces contribuyeron a comprender la disposición espacial de las raíces, que en conjunto define la arquitectura del sistema radicular (RSA). La tasa de crecimiento relativo (RGR, g g-1 d-1) se calculó utilizando la fórmula propuesta por Hunt (1982): RGR = (InW2 – InW1)/(t2 – t1), donde W1 y W2 representan el peso seco de toda la planta en el tiempo t2 y t1. El área foliar (A, cm2) se estimó utilizando un modelo de regresión A = - 8.56-9.85(L) + 0.78(L2) + 9.96(W) donde L es la longitud (cm) y W es el ancho.
Análisis de minerales
Después de 40 días se realizaron análisis minerales, muestras de hojas secas (0.1 g) se mineralizaron con HNO3 Se utilizó un sistema de digestión por oxidación húmeda por microondas y las muestras digeridas se diluyeron en 15 mL de agua ultrapura. Los macronutrientes (Ca, Mg, K, Na y P) se analizaron mediante espectrometría de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (PHA), y los micronutrientes (Mn, Fe, Ni, Cu y Zn) se midieron mediante espectrometría de emisión de masas con plasma acoplado inductivamente (PHA). El nitrógeno total se determinó mediante análisis elemental. Se utilizaron tres réplicas para cada determinación.
Análisis de ARN-Seq
Después de tres días de la cuarta aplicación, se cosecharon tres plantas por tratamiento, control y bioestimulante High. Se retiraron las raíces y se enjuagaron con agua destilada. Posteriormente, las raíces se pulverizaron en nitrógeno líquido y se almacenaron a -80ºC hasta la purificación del ARN mediante el kit de purificación de ARNm. La preparación de la biblioteca y la secuenciación del ARN se llevaron a cabo utilizando la plataforma Illumina Hiseq4000 de Macrogen. La calidad y cantidad total del ARN de las muestras se evaluaron utilizando un Bioanalizador 2100. Para la preparación de la biblioteca, se aseguró que todas las muestras tuvieran valores de integridad del ARN ≥ 7 y proporciones de ARNr > 1. La construcción de la biblioteca se llevó a cabo utilizando el kit de preparación de muestras de ARNm TruSeq Stranded de Macrogen. Las lecturas procesadas se alinearon con los datos del genoma de referencia utilizando HISAT2 (versión 2.1.0). Posteriormente, la transcripción se ensambló utilizando StringTie (versión 2.1.3b). El nivel de expresión de cada transcripción se normalizó a fragmentos por kilobase por millón de lecturas mapeadas (FPKM). Para el análisis de genes de expresión diferencial (DEG), se excluyeron los genes con un valor de recuento de 0 en al menos una muestra para garantizar la calidad de los datos. Posteriormente, los recuentos de lectura se transformaron en log2 y se normalizaron utilizando el método de expresión logarítmica relativa (RLE) de la biblioteca DESeq2 R, y el análisis estadístico se realizó utilizando Fold change. Los DEG se consideraron significativos cuando los valores de fold change (FC) de log2 ≥ 2 y p ≤ 0.05. Para la lista significativa, se realizó un análisis de agrupamiento jerárquico para agrupar los genes de muestras similares, y el resultado se representó gráficamente utilizando un mapa de calor. Además, se realizó un análisis de enriquecimiento del conjunto de genes utilizando la herramienta g:Profiler, que identifica la sobrerrepresentación de la información de la base de datos de ontología génica, las vías biológicas, los elementos reguladores del ADN, la anotación génica y la red de interacción proteína-proteína. Para identificar las funciones y vías biológicas asociadas con los DEG, se buscaron anotaciones en las bases de datos Gene Ontology (GO) y la enciclopedia de genes y genomas de Kyoto (KEGG) utilizando ShinyGO 0.80v.
Resultados
Efectos de diferentes dosis de bioestimulantes en el crecimiento de las plantas
La aplicación de diferentes dosis de bioestimulante tuvo un impacto notable en el crecimiento de la planta. La altura de la sección aérea indicó que la dosis baja exhibió un desarrollo similar al control hasta el día 30 después de la primera aplicación (Fig. 1a). Posteriormente, experimentó un crecimiento significativo, superando incluso a la dosis media e igualando a las dosis altas. Tanto la dosis media como la alta mostraron un incremento significativo en la altura a los 20 días en comparación con el control. Posteriormente, ambas dosis manifestaron un aumento sostenido en el mantenimiento de la altura con una diferencia significativa en comparación con el control a los 30 y 40 días. Las tres dosis de bioestimulante exhibieron un impacto significativo en el peso aéreo fresco en comparación con el control a los 20, 30 y 40 días, destacando la dosis alta (Fig. 1b). Tanto la dosis alta como la media mostraron un aumento significativo en el peso aéreo seco en comparación con el control a los 30 y 40 días (Fig. 1c). La dosis baja mantuvo el peso aéreo seco equivalente al control, pero a los 40 días, aumentó significativamente superando a la dosis media. Con respecto al conteo de hojas, la dosis alta aumentó significativamente el número de hojas en comparación con las dosis media, baja y el control a los 20 días (Fig. 1d). La mejora en el conteo de hojas persistió significativamente con las dosis media y alta en comparación con el control a los 30 y 40 días. La dosis baja también exhibió un aumento significativo en comparación con el control a los 40 días. Con respecto al ancho del tallo principal, la dosis alta demostró un crecimiento continuo estadísticamente significativo en comparación con los otros tratamientos hasta los 30 días (Fig. 1e). Posteriormente, a los 40 días, la dosis media experimentó un aumento, alcanzando un valor equivalente al de la dosis alta. La dosis baja no mostró significancia estadística en comparación con el control. Siguiendo la tendencia, las tres dosis de bioestimulante mejoraron una mayor área foliar y aceleraron el desarrollo del área foliar en comparación con el control, alcanzando el desarrollo máximo de las hojas a los 30 días, el control no logró un crecimiento similar incluso a los 40 días (Fig. 1f).
Las diferentes dosis de bioestimulante modificaron significativamente el RSA. Al aumentar la dosis de bioestimulante, la longitud radicular disminuyó significativamente en comparación con el control en todos los puntos temporales (Fig. 2a). El volumen radicular aumentó significativamente en todos los puntos temporales con las tres dosis de bioestimulante, en comparación con el control (Fig. 2b). La dosis media presentó el mayor volumen radicular a los 10 días, en comparación con las dosis alta y baja de bioestimulante, y el control. Este crecimiento se estabilizó hasta los 30 días, igualándolo con la dosis alta a los 20 días y superándolo a los 30 y 40 días. Al aumentar la dosis de bioestimulante, el volumen radicular aumentó a los 40 días.
La evaluación se interrumpió después del día 20 debido a dificultades para identificar con precisión el número de ramificaciones (Fig. 2c). A los 20 días, todas las dosis mostraron un número significativamente mayor de ramificaciones radiculares en comparación con el control, destacando las dosis media y alta, que presentaron un promedio de entre 24 y 25 ramificaciones radiculares en comparación con las 15 del control. El peso fresco fue mejorado por todas las dosis en todos los puntos de tiempo en comparación con el control (Fig. 2d). Aunque tanto la dosis media como la baja mostraron un mayor peso fresco a los 10 días que la dosis alta, a los 20 días, las tres dosis se igualaron. A los 30 y 40 días, se produjo una inversión, la dosis alta aumentó en comparación con la dosis baja y media. A medida que aumenta la dosis, el peso fresco de la raíz aumenta a los 40 días.
Todas las dosis mostraron un efecto positivo en el peso seco de la raíz (Fig. 2e). La dosis alta requirió 20 días para comenzar a mejorar el peso seco de la raíz en comparación con los otros tratamientos, mientras que las dosis media y baja mostraron una mejora después de 30 días en comparación con el control. Al aumentar la dosis, el peso seco de la raíz aumenta a los 40 días, destacando la dosis alta con una diferencia significativa.
La relación volumen/longitud de la raíz indicó que la aplicación de bioestimulante provocó una modificación del RSA, como se muestra en las figuras 3a-c. Las dosis de bioestimulante elevaron los valores de la relación en comparación con el control en todos los puntos temporales. Esto sugiere que, al aumentar la dosis de bioestimulante, la relación volumen/longitud de la raíz aumentó. Esto se atribuyó a la disminución de la longitud de la raíz y al aumento del volumen.
La RGR demostró que las tres dosis de bioestimulante mejoraron el crecimiento de la planta en todos los puntos temporales evaluados, en comparación con el control (Fig. 3b). A medida que aumentaban las dosis de bioestimulante, la RGR también aumentó. Cabe destacar la dosis alta, que mostró una tasa de crecimiento diaria superior a las otras dosis de bioestimulante y al control. La dosis baja superó la RGR de la dosis media a los 40 días.
Efectos de diversas dosis de bioestimulantes en los análisis minerales
La aplicación de dosis de bioestimulante no afectó significativamente la absorción de los macronutrientes N, Mg, K, Ca, P y el micronutriente Fe, en comparación con el control. Las dosis de bioestimulante sí afectaron la asimilación de ciertos micronutrientes. Específicamente, la absorción de Mn se incrementó con tres dosis de bioestimulante en comparación con el control. La absorción de Cu se incrementó con la dosis media en comparación con las dosis baja, alta y el control. La absorción de Zn se incrementó con las dosis baja y media de bioestimulante en comparación con la dosis alta y el control.
| Nutriente | Control | Bajo | Media | Alto | Sig1 |
| Ca (%) | 3.7 0.4 ± | 4.2 0.5 ± | 3.8 0.1 ± | 4.0 0.1 ± | ns |
| magnesio (%) | 1.1 0.1 ± | 1.2 0.1 ± | 1.15 0.03 ± | 1.22 0.02 ± | ns |
| K (%) | 2.7 0.2 ± | 2.5 0.2 ± | 2.6 0.2 ± | 2.4 0.2 ± | ns |
| N (%) | 4.6 0.5 ± | 4.7 0.1 ± | 4.5 0.1 ± | 5.1 0.6 ± | ns |
| PAG (%) | 0.50 0.01 ± | 0.52 0.03 ± | 0.50 0.03 ± | 0.49 0.01 ± | ns |
| Mn (mg kg-1) | 140 ± 4b | 168 ± 14a | 157 ± 12a | 176 ± 8a | *** |
| Fe (mg kg-1) | 114 ± 13ab | 109 ± 4b | 128 ± 7a | 120 ± 3a | ** |
| Cu (mg kg-1) | 13.6 ± 0.4b | 13.4 ± 0.9b | 16.5 ± 1.3a | 12.7 ± 0.8b | ** |
| Zn (mg kg-1) | 104 ± 9c | 165 ± 12a | 152 ± 8a | 122 ± 3b | ** |
Los resultados se expresan en media ± desviación estándar (n = 6). Los valores medios seguidos de letras diferentes indican diferencias estadísticamente significativas según la prueba de Duncan (p < 0.05).
Sig1 es ns: sig > 0.05; *: 0.01 < sig < 0.05; **: 0.001 < sig < 0.01; ***: sig < 0.001
Secuenciación y análisis del transcriptoma Análisis de expresión génica diferencial
Se realizaron análisis del transcriptoma para comprender a fondo el mecanismo de acción del bioestimulante en el desarrollo radicular. La secuenciación de ARN de las seis muestras arrojó un total acumulado de 277 millones de lecturas sin procesar. Tras el recorte de cebadores y la eliminación de lecturas de baja calidad, el conjunto de datos se refinó a 273 millones de lecturas limpias. Estos DEG seleccionados se utilizaron para el análisis posterior. El mapa de calor y el gráfico de volcán proporcionaron una visión global de los cambios en la expresión del transcriptoma inducidos por el bioestimulante. El mapa de calor reveló que el tratamiento con bioestimulante provocó una modificación en la expresión génica en comparación con las condiciones de control (Fig. 4a).
El diagrama de volcanes probablemente reveló que el tratamiento con bioestimulantes resultó en un número significativo de genes de expresión diferencial (GED) (Fig. 4b). En particular, se identificaron 1764 GED, de los cuales 1146 estaban sobreexpresados y 618 inexpresados. Esto indicó que el tratamiento con bioestimulantes tuvo un impacto sustancial en el transcriptoma de las raíces, alterando significativamente la expresión de un gran número de genes.
Análisis de enriquecimiento de la vía KEGG de raíces bajo tratamiento bioestimulante
Se realizó un análisis de enriquecimiento de la vía KEGG para enfatizar la anotación funcional de enzimas y las vías metabólicas bioquímicas asociadas con los DEG en el desarrollo radicular. El resultado mostró que los DEG anotados se distribuyeron en siete vías metabólicas, ordenadas de menor a mayor enriquecimiento: biosíntesis de sesquiterpenoides y triterpenoides, vías de señalización de MAPK, biosíntesis de fenilpropanoides, transducción de señales de fitohormonas, metabolismo del carbono, biosíntesis de metabolitos secundarios y vías metabólicas (Tabla 1).
Discusión
El potencial de los bioestimulantes para mejorar la productividad de los cultivos ha despertado un gran interés, especialmente en la agricultura ecológica, donde el aporte de nutrientes suele ser limitado. Los aminoácidos procedentes de la hidrólisis enzimática de proteínas vegetales son uno de los compuestos bioactivos ampliamente estudiados que promueven el crecimiento vegetativo. Además, desempeñan un papel esencial en los procesos metabólicos y como componente básico de las proteínas. La aplicación directa de estos aminoácidos a las raíces tuvo un efecto directo en el crecimiento vegetal. En el presente estudio, la aplicación radicular de bioestimulantes mejoró significativamente el desarrollo de los brotes, caracterizado por un aumento en la altura, el peso fresco y seco, el recuento de hojas y el área foliar. Las dosis altas de bioestimulantes mostraron resultados superiores, con diferencias significativas en el desarrollo de los brotes observadas incluso a los 20 días de la primera aplicación. Por el contrario, las dosis más bajas requirieron un período más largo (40 días después de la primera aplicación) para manifestar mejoras en el desarrollo aéreo. Esta mejora observada en las partes aéreas se vio directamente influenciada por el RSA.
La estructura radicular muestra una adaptabilidad notable, lo que facilita la utilización eficiente de los recursos en la rizosfera. Esta plasticidad de RSA se modula por la interacción con las condiciones ambientales y los componentes genéticos, lo que impulsa a la planta a responder a señales externas y a la exploración del suelo. Por lo tanto, la aplicación de bioestimulantes indujo una modificación en RSA, lo que resultó en una reducción de la longitud de la raíz, pero un aumento del volumen radicular, así como del peso fresco y seco de la raíz, con dosis crecientes de bioestimulante. El volumen radicular aumentó con dosis bajas, medias y altas en un 66.2, 83.2 y 165 %, respectivamente (Fig. 2b). La estimulación del peso fresco se observó en un 45, 61 y 97.3 % con dosis bajas, medias y altas, respectivamente (Fig. 2d). La promoción del peso seco se produjo en un 7, 23.4 y 53.7 % con dosis bajas, medias y altas, respectivamente, en comparación con el control. Esto indicó que el bioestimulante promovió el desarrollo de la raíz lateral mientras inhibía la elongación de la raíz primaria (Fig. 2e). Este hallazgo concuerda con Yang et al., quienes demostraron que la aplicación exógena de aminoácidos básicos, hidroxilados, azufrados y aromáticos inhibió significativamente el crecimiento de las raíces primarias en Arabidopsis. La inhibición más pronunciada se observó con la lisina, mientras que se observó una estimulación simultánea de la densidad radicular lateral. Esta observación concuerda con que la lisina es el aminoácido predominante en la formulación.
Aunque en este trabajo no se realizaron estudios metabólicos sobre el efecto del bioestimulante basado en aminoácidos y extractos de algas marinas en el crecimiento del pepino, el análisis del transcriptoma respalda el potencial del bioestimulante. Resaltó varios procesos biológicos, comprimiendo la respuesta al estímulo, la mejora de la regulación del proceso metabólico celular y la respuesta a sustancias químicas. Estos procesos están estrechamente asociados con mejoras en la unión del ADN, mayor actividad reguladora de la transcripción y actividad del factor de transcripción de unión al ADN a nivel de función molecular. Estos factores son particularmente bioestimulantes significativos en las zonas de elongación y diferenciación de la raíz, que abarcan el crecimiento de la raíz lateral. Teniendo en cuenta que la raíz de la planta exhibe un patrón radial fijo de organización, que involucra varios tipos de células, funciones y etapas de desarrollo a lo largo del eje de crecimiento.
En relación con la división celular, la biosíntesis y la remodelación de la pared celular, las células madre jóvenes experimentan una rápida división celular, lo que conduce a la formación de nuevas paredes celulares. Según el análisis del transcriptoma, la estimulación de la división celular se vio facilitada por el aumento de la actividad motora del citoesqueleto y los microtúbulos, junto con la activación del complejo quinasa. Esta coordinación es vital para diversos procesos celulares, como el tráfico de membrana, la señalización y la morfogénesis. El complejo kinesina desempeña un papel crucial en la formación, el mantenimiento y la función de las matrices citoesqueléticas, así como en la coordinación de la formación de la placa celular, contribuyendo a la generación de la pared celular primaria en la placa celular en crecimiento. Esta generación de pared celular primaria se ve además favorecida por bioestimulantes, que estimulan los procesos metabólicos de macromoléculas, hemicelulosa y polisacáridos, según el análisis del transcriptoma. Esta pared celular recién formada exhibe un alto dinamismo, lo que desempeña un papel crucial en el apoyo a una expansión celular rápida y anisotrópica. En los tipos celulares diferenciados, la composición y la estructura de la pared celular pueden cambiar para adaptarse y apoyar diferentes funciones celulares. Así, la importancia de la pared celular en el crecimiento de las raíces radica en su diversa composición y notable flexibilidad, que le permiten soportar los complejos procesos de expansión, diferenciación y adaptación celular durante el desarrollo radicular.
Los aminoácidos aromáticos como el triptófano, la fenilalanina y la tirosina son esenciales para la síntesis de proteínas y sirven como precursores de diversos productos naturales en las plantas, incluyendo pigmentos, alcaloides, hormonas y componentes de las paredes celulares. Por lo tanto, la aplicación exógena de este aminoácido aromático también estimula la vía de biosíntesis de fenilpropanoides. Diversos estudios han demostrado que la lisina desempeña un papel crucial como aminoácido señalizador que media cascadas implicadas en la regulación de diversos aspectos del crecimiento vegetal y las respuestas a señales ambientales. Particubiostimulanty, el catabolismo de la lisina por la vía de la sacaropina activó la vía de fenilpropanoides (PePP), impactando en el metabolismo secundario. Estos resultados concuerdan con el análisis de la vía KEGG. Por lo tanto, la aplicación de bioestimulantes estimula la activación de la vía de biosíntesis de fenilpropanoides al activar enzimas cruciales necesarias para la biosíntesis de lignina, como la 4-cumarato-CoA ligasa y las peroxidasas. La activación de estas enzimas es indispensable para producir diversos metabolitos secundarios como flavonoides, lignanos, cumarinas y conjugados de ácido hidroxicinámico, algunos de los cuales son precursores de las unidades de lignina. La lignina es un constituyente de la pared celular secundaria junto con la celulosa, la hemicelulosa y las proteínas de la pared celular. Esta pared celular secundaria es particularmente importante para el soporte mecánico que proporciona fuerza y estabilidad a la célula y a la planta. Una pared celular secundaria se encuentra en tipos celulares específicos que constituyen tejidos secundarios con estructuras rígidas, como fibras, traqueidas o elementos vasculares, especialmente dentro del vaso xilemático responsable del transporte de agua y nutrientes a las partes aéreas de la planta. La naturaleza hidrofóbica de la lignina previene eficazmente la pérdida de agua de las células, confiriendo así capacidades de transporte de agua altamente eficientes.
La modulación de la remodelación de la pared celular desempeña un papel crucial en la brotación y el crecimiento de la raíz lateral, que son promovidos por el bioestimulante. Este hallazgo se alinea con múltiples estudios que indican que el extracto de algas marinas provoca respuestas positivas en varios aspectos específicos del crecimiento de la planta, la producción y la calidad del fruto en diferentes cultivos. Específicamente relacionado con este estudio, se ha demostrado que las algas marinas mejoran el tamaño y la arquitectura de la raíz estimulando la división celular radicular y el desarrollo de la raíz lateral. Las capacidades promotoras del crecimiento radicular del extracto de algas marinas se atribuyen a su actividad similar a la de las fitohormonas, incluyendo la auxina, que desempeña un papel esencial en la regulación de RSA al controlar la elongación de la raíz primaria y la formación de raíces laterales. Un efecto similar en parámetros como el rendimiento, el número de frutos, el peso seco, el color, el grosor de la pulpa, el grosor de la piel, los pigmentos plastídicos y el contenido de tocoferol de los pepinos se informó en otro estudio reciente en el que se aplicaron dos bioestimulantes comerciales basados en el alga marina Ascophyllum nodosum L. mediante pulverización foliar.
La sobreexpresión de ciertos genes en la vía de señalización de las auxinas regula el crecimiento de la raíz lateral, iniciando un máximo local en la célula fundadora del periciclo y preparando las células endodérmicas suprayacentes para la posterior emergencia de la raíz lateral. El crecimiento de la raíz lateral prepara la célula suprayacente mediante la sobreexpresión de varias proteínas modificadoras de la pared celular, como las EXPANSINAS, las pectato liasas, las proteínas de la familia XTH (xiloglucano endotransglucosilasa/hidrolasa) e indirectamente, las acuaporinas.
De acuerdo con la regulación positiva de los genes relacionados con la auxina por Laminaria sp., la glucosa también afecta la longitud de la raíz, los pelos radiculares y el número de raíces laterales, y modula la dirección del crecimiento radicular al interactuar con fitohormonas, especialmente con la vía de respuesta a la auxina, que modula dichos genes. Los azúcares son sustratos metabólicos que desempeñan un papel activo en la modulación de diversas respuestas a estímulos y procesos metabólicos que se llevan a cabo en las fases deferentes del desarrollo vegetal. Esto implica la promoción de vías metabólicas, el metabolismo del carbono y la biosíntesis del metabolismo secundario.
Por lo tanto, este estudio sugiere que tiene un impacto beneficioso en el desarrollo del crecimiento, modifica el RSA y activa diferentes procesos metabólicos, lo que demuestra su eficacia. En particular, el aumento de raíces secundarias contribuye a expandir el área radicular para obtener nutrientes y agua, lo cual es crucial en la agricultura orgánica, donde estos recursos son limitados.
Conclusiones
En conclusión, este estudio demostró el importante potencial de los bioestimulantes a base de aminoácidos y extracto de algas para potenciar el crecimiento vegetal, especialmente en el contexto de la agricultura ecológica, donde la disponibilidad de nutrientes es limitada. La aplicación del bioestimulante mostró una mejora significativa tanto en el desarrollo de brotes como de raíces de Cucumis sativus. Se observó una modificación del área de superficie radicular (RSA) al promover el desarrollo de raíces laterales e inhibir la elongación de la raíz primaria, aumentando así la superficie para la absorción de nutrientes y agua. La eficacia del bioestimulante se debe a la sinergia de compuestos bioactivos, incluyendo aminoácidos provenientes de la hidrólisis enzimática de proteínas vegetales, extracto de algas y carbohidratos. El análisis del transcriptoma reveló que el bioestimulante modula diversos procesos biológicos, como la división celular y la biosíntesis y remodelación de la pared celular, cruciales para la elongación y diferenciación de las raíces. La sobreexpresión de genes clave asociados a esta función respaldó aún más los cambios físicos observados. Futuras investigaciones evaluarán la eficacia de diferentes aminoácidos combinados con extracto de algas en distintos cultivos, sustratos, condiciones reales de campo y diferentes tipos de estrés abiótico para validar su eficacia.
