En condiciones de temperatura subóptimas, la aplicación de AOS mejoró la absorción de nutrientes y el crecimiento de las plántulas de pepino de manera más eficiente que simplemente aumentar los niveles de nutrientes, ya que mejoró el área de superficie de la raíz, la vitalidad de la raíz y las actividades de las enzimas metabólicas del N.
Introducción
El pepino (Cucumis sativus L.) es un cultivo hortícola muy extendido que prospera en un rango de temperatura de 22-32 ℃/15-18 ℃ (día/noche). Si bien los pepinos cultivados en invierno y principios de primavera alcanzan precios de mercado más altos debido a la oferta fuera de temporada, su cultivo en los invernaderos solares del norte de China se ve gravemente limitado por el estrés térmico subóptimo, un factor limitante clave que perjudica la absorción de nutrientes por parte de la planta. Las temperaturas subóptimas inhiben la expresión de AKT1 (que codifica un canal de K + ), reduciendo el contenido de K + en toda la planta y la absorción neta de K + en el tomate. En los pepinos, las temperaturas subóptimas conducen a una disminución del crecimiento de las raíces, una reducción de la vitalidad de las raíces, una menor actividad de las enzimas del metabolismo del nitrógeno y una regulación negativa de la expresión de los genes transportadores de nitrato, lo que resulta en una menor absorción de NO3 -- N. Un mayor suministro de nutrientes promueve sustancialmente el crecimiento de la planta. Por lo tanto, los agricultores suelen abusar de los fertilizantes químicos para aumentar el rendimiento de las hortalizas fuera de temporada, una práctica que resulta costosa y perjudicial para el medio ambiente.
Los bioestimulantes son sustancias naturales o sintéticas que pueden mejorar el crecimiento de las plantas, su tolerancia al estrés o la eficiencia en el uso de nutrientes. La suplementación con bioestimulantes en los programas de fertilización puede mejorar el crecimiento de las plantas y el rendimiento de los cultivos, a la vez que reduce el uso de fertilizantes. Los oligosacáridos de alginato (AOA), un tipo de bioestimulante, se producen mediante hidrólisis enzimática o ácida del alginato, un polisacárido natural extraído de algas pardas y compuesto por residuos de ácido manurónico y ácido gulurónico. Los AAO son biodegradables y tienen la ventaja de ser respetuosos con el medio ambiente. La evidencia acumulada ha demostrado las múltiples funciones fisiológicas de los AAO, incluyendo la regulación de la morfogénesis de raíces y brotes, la eficiencia fotosintética y una mayor tolerancia al estrés abiótico (sequía, salinidad, lluvia ácida y altas temperaturas). La aplicación de AAO a temperaturas normales aumentó significativamente las concentraciones tisulares de N, P y K en múltiples especies de cultivos. Por lo tanto, es interesante investigar si los AAO pueden promover el crecimiento y la absorción de nutrientes en cultivos hortícolas a temperaturas subóptimas, ya que esto podría reducir potencialmente la dependencia de fertilizantes químicos.
Materiales y Métodos
Materiales experimentales
En este estudio se utilizaron semillas de pepino de la variedad Jinchun 4. Las semillas se remojaron en agua a 55 ℃ durante 15 min. Una vez que el agua se enfrió a temperatura ambiente, se transfirieron a una incubadora de temperatura constante y se germinaron a 28 ℃ durante 24 h. Las semillas germinadas se sembraron en placas de cultivo de plántulas de 72 agujeros rellenas con una mezcla de fibra de coco, vermiculita y perlita (2:1:1, v:v:v). Las plántulas se regaron con una solución de Hoagland al 0.5% y se cultivaron en condiciones naturales de temperatura y luz en un invernadero solar. Posteriormente, cuando comenzaron a desarrollarse las primeras hojas verdaderas, las plántulas se trasplantaron a macetas que contenían fibra de coco. Después de un período de rejuvenecimiento de 5 días, las plántulas fueron transferidas y aclimatadas en las cámaras climáticas durante 3 días bajo condiciones de 25 ± 1 ℃/18 ± 1 ℃ (día/noche) con un fotoperíodo de 12 h (500 ± 20 μmol·m -2 ·s -1 ).
Diseño Experimental
Se establecieron temperaturas subóptimas de 15 ± 1 ℃ durante el día y 8 ± 1 ℃ durante la noche, con un fotoperiodo de 12 h (400 ± 20 μmol·m -2 ·s -1 ). Las plántulas de pepino se trataron con 0.5×, 1.0× y 1.5× de la concentración de la solución de Hoagland sin AOS (N0.5, N1 y N1.5), o con 30 mg·L -1 de AOS (A0.5, A1 y A1.5). Las plántulas se regaron cada 3 días (100 mL por planta) y 5 veces durante el experimento. El muestreo y las mediciones se realizaron el día 18 después del tratamiento. Cada tratamiento consistió en 25 plántulas de pepino con tres réplicas.
Resultados
Efectos de diferentes concentraciones de solución nutritiva con AOS en el crecimiento de plántulas de pepino a temperaturas subóptimas
Se cuantificaron los parámetros de crecimiento para evaluar la respuesta de crecimiento de plántulas de pepino al aporte elevado de nutrientes con o sin AOS en condiciones de temperatura subóptimas. En comparación con N0.5, solo un número limitado de parámetros medidos mostró aumentos significativos en N1.0 y N1.5 (Figura 1). Al mantener niveles equivalentes de aporte de nutrientes, la aplicación de AOS mejoró todos los parámetros examinados en diversos grados en comparación con las plántulas sin AOS. El ANOVA de dos vías reveló que el nivel de nutrientes (NL) por sí solo influyó significativamente solo en la altura de la planta, el grosor del tallo, el área foliar y el peso fresco del tallo (Figura 1). Además, el AOS y la interacción entre NL y AOS (NL × AOS) afectaron significativamente los nueve parámetros de crecimiento de la planta medidos.
Como se muestra en la Figura 2, un mayor aporte de nutrientes incrementó los parámetros medidos de la arquitectura radicular, en consonancia con sus efectos sobre las características de crecimiento de la planta. Además, la aplicación de AOS mejoró significativamente estos parámetros en condiciones de temperatura subóptimas, en comparación con los tratamientos sin AOS. El ANOVA de dos vías reveló que tanto el AOS como la interacción NL × AOS influyeron significativamente en las seis características radiculares, mientras que el NL por sí solo afectó significativamente el número de ápices radiculares, la longitud total de la raíz, las horquillas radiculares y la superficie radicular (Figura 2).
Efectos del AOS y diferentes niveles de solución nutritiva sobre el contenido de clorofila y Pn de plántulas de pepino a temperaturas subóptimas
Los contenidos de clorofila a (Chl. a), clorofila b (Chl. b) y Pn mostraron tendencias crecientes con niveles elevados de nutrientes, especialmente en los tratamientos con AOS, donde la mejora fue más pronunciada (Figura 3). El ANOVA de dos vías demostró que tanto el AOS como la interacción NL × AOS tuvieron efectos significativos en los contenidos de Chl. a, Chl. b y Pn, mientras que el NL afectó significativamente el contenido de Chl. a y Pn.
Efectos del AOS y diferentes niveles de solución nutritiva en la actividad radicular de plántulas de pepino a temperaturas subóptimas
Las plantas en A0.5 mostraron una actividad radicular significativamente mayor que las de N0.5, N1 y N1.5, mientras que A1.5 proporcionó una mejora adicional del 19.97 % en comparación con A0.5 (Figura 4). El análisis estadístico reveló que la actividad radicular se vio significativamente influenciada por NL, AOS y NL × AOS.
Efectos de AOS y diferentes niveles de solución nutritiva sobre las actividades de las enzimas del metabolismo del nitrógeno en plántulas de pepino a temperaturas subóptimas
Los resultados de la Figura 5 mostraron que, si bien el aporte elevado de nutrientes por sí solo ejerce efectos marginales sobre las actividades enzimáticas del metabolismo del N, el tratamiento con AOS mejora significativamente estas actividades enzimáticas en plántulas de pepino. El análisis estadístico reveló efectos significativos del AOS y la interacción NL × AOS sobre las cuatro enzimas del metabolismo del N, tanto en hojas como en raíces. Sin embargo, el NL afectó significativamente las actividades de GDH en las hojas, así como de GOGAT, GDH y GS en las raíces.
Efectos del AOS y diferentes niveles de solución nutritiva sobre el contenido, la acumulación y la distribución de N en diferentes órganos del pepino a temperaturas subóptimas
Como se muestra en las Figuras 6a y 6b, el tratamiento N1.5 incrementó significativamente el contenido y la acumulación de N en todos los tejidos examinados (raíz, tallo y hoja) en comparación con N0.5. Es decir, el aumento del aporte de nutrientes tuvo un efecto positivo en el contenido y la acumulación de N en las raíces, tallos y hojas de plántulas de pepino en condiciones de temperatura subóptimas. Además, los tratamientos con AOS amplificaron este efecto, ya que estos últimos resultaron consistentemente en un mayor contenido y acumulación de N en comparación con los tratamientos sin AOS. El análisis ANOVA de dos vías mostró que NL, AOS y NL × AOS afectaron significativamente el contenido de N en los tejidos y la acumulación de N en la planta.
Ni NL ni AOS, ni NL × AOS afectaron significativamente la distribución de N en plántulas de pepino (Figura 6c). La proporción de distribución de N en las raíces del pepino disminuyó ligeramente al aumentar la concentración de la solución nutritiva, mientras que la distribución de N en las hojas aumentó ligeramente, sin ser significativa. Sin embargo, el AOS mejoró significativamente la asignación de N a las hojas, lo que indica que la aplicación de AOS promovió el transporte de N de las raíces a los brotes, mejorando así el crecimiento general de la planta.
Análisis de correlación entre diferentes rasgos
Como se muestra en el mapa de calor de correlación (Figura 7), el contenido de N en los tejidos de raíces, tallos y hojas exhibió correlaciones positivas significativas con los índices de morfología de las raíces, la actividad de las raíces y las actividades enzimáticas del metabolismo del N.
Discusión
Las tasas de absorción de la mayoría de los iones minerales esenciales están reguladas por mecanismos específicos impulsados por la demanda que ajustan dinámicamente la adquisición de nutrientes para satisfacer los requerimientos fisiológicos a lo largo de la tasa de crecimiento. En condiciones de temperatura subóptimas, el crecimiento de la planta se inhibe y la tasa de entrada de NO₃⁻ disminuye , mientras que la aplicación exógena de 24-epibrasinolida y giberelina (GA) promueve el crecimiento de la planta y aumenta tanto la tasa de entrada de NO₃⁻ como la acumulación de N. En nuestro estudio, las concentraciones elevadas de la solución nutritiva tienen efectos positivos sobre el contenido y la acumulación de N, P y K en todos los tejidos examinados (raíces, tallos y hojas) de las plántulas de pepino, mientras que la coaplicación de AOS mejoró aún más estos parámetros de nutrientes en comparación con la elevación de nutrientes sola (Figura 6, Figuras S1 y S2). Esto puede atribuirse al crecimiento suprimido y, en consecuencia, a la menor demanda de nutrientes de las plántulas de pepino bajo estrés de temperatura subóptima, donde el aumento del suministro de nutrientes muestra una eficacia limitada para mejorar la absorción. Por el contrario, la aplicación de AOS puede estimular el crecimiento de las plantas (Figura 1) y aumentar la demanda de nutrientes en las plántulas de pepino, lo que puede mejorar la adquisición de nutrientes a través de la modulación coordinada de los sistemas de absorción y el crecimiento de las raíces.
La arquitectura radicular es de gran importancia para la capacidad de los cultivos de absorber nutrientes minerales. Además, la modificación de la arquitectura radicular representa una estrategia eficaz para mejorar la eficiencia del uso de nutrientes y el rendimiento del cultivo. Las temperaturas subóptimas inhibieron el crecimiento radicular en pepinos al regular negativamente los genes GA 20-oxidasa y GA 3-oxidasa (involucrados en la biosíntesis activa de GA) mientras que regulan positivamente los genes GA 2-oxidasa (responsables de la desactivación de GA), disminuyendo en última instancia los niveles de GA4 bioactivo. Estudios previos indicaron que AOS podría elevar los niveles de auxinas y giberelinas en las raíces, estimular la división celular y promover la elongación radicular, expandiendo así el área de absorción radicular y mejorando la absorción de N. En este estudio, la aplicación combinada de concentraciones variables de solución nutritiva y AOS mejoró la arquitectura radicular del pepino, aumentando significativamente el número de ápices radiculares, el diámetro promedio de la raíz, la longitud total de la raíz, el volumen radicular y el área de superficie radicular. Además, estas características morfológicas de la raíz mostraron fuertes correlaciones positivas con el contenido de nitrógeno a nivel orgánico (Figura 7), lo cual concuerda con las teorías establecidas que vinculan la arquitectura del sistema radicular con la capacidad de absorción de nutrientes. La actividad radicular está estrechamente relacionada con la absorción de nutrientes minerales. Estudios previos han reportado que la AOS aumentó no solo el área de absorción radicular, sino también su actividad en la col china. Nuestros resultados también demuestran que la AOS, la solución nutritiva y su interacción sinérgica mejoraron significativamente la actividad radicular en plántulas de pepino (Figura 4). Estos hallazgos sugieren que la AOS mejora la vitalidad y la arquitectura radicular para facilitar una absorción de nutrientes más eficiente, promoviendo así el crecimiento de la planta en condiciones de temperatura subóptimas.
La eficiencia en el uso de nitrógeno (EUN) en los cultivos está regida por cuatro procesos fisiológicos clave: absorción, transporte, asimilación y removilización. La fase de asimilación involucra varias enzimas críticas, incluyendo NR, GS, GOGAT y GDH. Entre ellas, NR inicia la utilización de nitrógeno inorgánico, mientras que el ciclo GS/GOGAT impulsa la conversión de nitrógeno inorgánico a formas orgánicas, determinando finalmente la EUN. La evidencia genética subraya la importancia funcional de estas enzimas en la EUN. En Arabidopsis, el mutante doble nia1 nia2 conserva apenas el 0.5% de la actividad de NR del tipo silvestre y presenta graves defectos de crecimiento bajo suministro de nitrato. De manera similar, la inactivación de OsNR2 en arroz reduce significativamente el rendimiento de grano. Los genes que codifican GS y GOGAT en las raíces se activan transcripcionalmente por el suministro de NO₃⁻ . El mutante gdh1 de Arabidopsis muestra un crecimiento deficiente cuando se suplementa con nitrógeno inorgánico. El aumento de la actividad de las enzimas del metabolismo del nitrógeno facilita la rápida asimilación de nitrógeno, promoviendo el crecimiento y el desarrollo. La aplicación de quitosano y oligosacáridos de quitosano mejoró significativamente las actividades de NR, GS y GOGAT, lo que permite a las plantas convertir eficientemente el nitrito en aminoácidos, facilitando la absorción de N. Además, se demostró que el extracto de algas marinas aumentó significativamente las actividades de GS y GDH en las hojas, y promovió la absorción y asimilación efectiva de N en plantas de sorgo bajo estrés por cadmio. También se informó que los fragmentos de alginato de sodio de bajo peso molecular producidos por degradación por radiación mejoran las actividades de las enzimas del metabolismo del N en diversas especies de cultivos. Otros estudios confirmaron que los AOS estimulan la actividad enzimática de NR mediante la inducción coordinada de la expresión génica y mecanismos de control postranscripcional en las raíces del trigo. También informaron que los inhibidores del metabolismo del Ca²⁺ atenuaron los efectos promotores de los AOS sobre las actividades de NR y GS, así como la concentración total de N en la col china en floración, lo que sugiere que la señalización de Ca²⁺ participa en la mediación de la regulación metabólica del N desencadenada por los AOS. En este estudio, la combinación de AOS con soluciones nutritivas mejoró significativamente las actividades de NR, GOGAT, GDH y GS en las plantas, mostrando una correlación positiva con el contenido de nitrógeno en el tallo.
Conclusiones
En condiciones de temperatura subóptimas, el aumento del aporte de nutrientes promovió el crecimiento de las plántulas de pepino. Sin embargo, la suplementación con AOS mejoró aún más la arquitectura radicular, la actividad radicular y la actividad enzimática del metabolismo del nitrógeno, lo que resultó en una mayor promoción del crecimiento y una mejor absorción de nutrientes en comparación con el aumento del aporte de nutrientes únicamente.
Dora Arouse es un nuevo producto elicitor basado en AOS/ADO (oligosacárido derivado del alginato). Este producto se produce en total cumplimiento con las normas orgánicas y obtuvo la certificación Ecocert en mayo de 2023. (Se utiliza como materia prima para fertilizantes y enmiendas). En comparación con los alginatos, los AOS presentan una actividad biológica mejorada gracias a su menor peso molecular y su mejor solubilidad en agua.
Vea más detalles sobre los elicitores inmunitarios vegetales Dora AOS (oligosacárido de alginato).
Oligosacárido de alginato Dora (EcoCert)
Dora Arouse es un nuevo producto elicitor basado en ADO (oligosacárido derivado del alginato). Activa el sistema inmunitario de la planta contra SA y JA y despierta su vitalidad desde la raíz hasta la copa, favoreciendo el enraizamiento, la defensa contra enfermedades y la adaptación a los cambios climáticos.