Los extractos de algas pardas aumentan la tolerancia de las plantas de tomate a las altas temperaturas

Actualmente, los bioestimulantes en el sector hortícola son una herramienta que se utiliza para mejorar el rendimiento y la calidad de las hortalizas en condiciones óptimas y de estrés. En el presente estudio, evaluamos los efectos de la aplicación foliar de un extracto hidroetanólico de Sargassum spp., un extracto comercial a base de Ascophyllum nodosum y un control con agua destilada sobre el crecimiento y la biomasa, la conductancia estomática, los pigmentos fotosintéticos, los antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos, el contenido proteico y la expresión de genes de defensa en plantas de tomate (Solanum lycopersicum L.) sin estrés y con estrés por altas temperaturas (45 ℃). Los resultados indican que los extractos de Sargassum spp. y Ascophyllum nodosum son eficaces para mitigar el estrés por altas temperaturas, lo que convierte su uso en una alternativa prometedora para inducir resistencia en las plantas a las adversidades diarias del cambio climático.

Introducción

Entre los factores abióticos, la temperatura es uno de los más importantes, ya que afecta significativamente los procesos fisiológicos, morfológicos y bioquímicos de las plantas. El estrés térmico se clasifica normalmente en estrés por baja y alta temperatura, que se sitúan por debajo y por encima del rango óptimo de temperatura para las plantas.

Las altas temperaturas incrementan la actividad metabólica (alta velocidad de vibración y traslación de moléculas). Además, causan un déficit muy alto de presión de vapor en las plantas, lo que provoca una alta transpiración, que en ocasiones puede superar la absorción de agua por las raíces, lo que resulta en el cierre de estomas, baja actividad fotosintética, disminución del crecimiento y quema de hojas, tallos y frutos, causando bajos rendimientos y mala calidad de los frutos. A nivel molecular, las altas temperaturas comprometen la funcionalidad de las biomoléculas al reducir su capacidad catalítica o, en el peor de los casos, pueden inactivarlas o desnaturalizarlas cuando se supera el umbral de tolerancia. Para las plantas terrestres, el umbral donde las altas temperaturas comienzan a afectar negativamente a las biomoléculas y a los procesos de interacción entre ellas se encuentra entre 35 °C para aquellas con metabolismo C3 y 40 °C para aquellas con metabolismo C4.

Cuando las plantas se ven sometidas a estrés por altas temperaturas, activan el sistema antioxidante (enzimático y no enzimático) para eliminar o neutralizar las especies reactivas de oxígeno (ROS) producidas. Sin embargo, en ocasiones, el estrés es mayor y requiere otras medidas para superarlo. Estas situaciones han llevado a la búsqueda de alternativas para mitigar este tipo de estrés, y entre las más prometedoras se encuentra el uso de bioestimulantes vegetales. Un bioestimulante es cualquier sustancia o microorganismo aplicado a las plantas con el objetivo de mejorar la eficiencia nutricional, la tolerancia al estrés y las características de calidad de los cultivos, independientemente de su contenido nutricional. Entre los bioestimulantes más utilizados en la actualidad se encuentran los extractos de algas, que representan una opción prometedora debido a la gran cantidad de biomoléculas que contienen. Los extractos más utilizados son los de algas pardas (Ascophyllum nodosum, Ecklonia maxima, Fucus spp., Lessonia nigrescens, Macrocystis pyrifera, Laminaria spp. y Sargassum spp.) debido a su alta concentración de metabolitos, como carbohidratos, proteínas, aminoácidos, fitohormonas, carotenoides, vitaminas, fenoles y compuestos inorgánicos. Estos metabolitos tienen la capacidad de estimular procesos naturales que mejoran la absorción y asimilación de nutrientes, proporcionan tolerancia al estrés y mejoran el crecimiento y la producción de las plantas.

El alga Sargassum spp. actualmente está causando diferentes problemas. Los extractos de algas Sargassum spp. se han utilizado en plantas hortícolas para mejorar el rendimiento, la calidad y dar tolerancia a las plantas a diferentes tipos de estrés; sin embargo, la mitigación del estrés debido a altas temperaturas aún no se ha estudiado. Sin embargo, hay estudios que muestran que su aplicación puede aumentar la síntesis de compuestos fenólicos totales, flavonoides, carotenoides y glutatión, compuestos que pueden reducir las ROS producidas durante el estrés. Esto los convierte en una opción viable para combatir el estrés por altas temperaturas en plantas hortícolas. Además de esto, hay algunos estudios con otros géneros de algas pardas que abordan este problema. En un estudio en plantas de tomate (Solanum lycopersicum L.), se demostró que los extractos de Ascophyllum nodosum mitigan el estrés por altas temperaturas al mejorar la viabilidad del polen, el rendimiento de la fruta y la expresión de genes que codifican proteínas de choque térmico (HSP). Ascophyllum nodosum es una de las algas más utilizadas en la agricultura, ya que se ha demostrado que induce a las plantas a producir sus propias hormonas, lo que contribuye a mejorar el crecimiento, mitigar el estrés y mejorar la absorción y translocación de nutrientes.

El mecanismo de acción de las algas pardas, que induce resistencia al estrés abiótico en las plantas, puede tener efectos significativos, como la reducción del uso de agroquímicos y la disminución de los impactos ambientales, además de abordar los problemas de surgencia atípica de Sargassum a lo largo de las costas. En consonancia con lo anterior, el objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto de un extracto de Sargassum spp. y Ascophyllum nodosum en la inducción de tolerancia al estrés por altas temperaturas en plantas de tomate. Se propuso la hipótesis de que los extractos de algas marinas mejorarían aspectos morfológicos, fisiológicos, bioquímicos y transcripcionales que otorgarían a las plantas de tomate una mayor tolerancia al estrés por altas temperaturas. El uso de bioestimulantes derivados de recursos naturales como las algas pardas es prometedor, ya que pueden ayudar a abordar los desafíos actuales que enfrenta la producción de hortalizas.

Resultados

Crecimiento y biomasa de las plantas

La Tabla 1 muestra los resultados de la altura, el diámetro del tallo y el número de hojas de las plantas de tomate. No se observaron diferencias en la altura de las plantas a los 11 días después del trasplante (DDT). A los 21 y 31 DDT, solo se observaron diferencias en los tratamientos sin estrés, donde las plantas con extracto de algas Sargassum spp. (SSE) superaron a las plantas control (AC) en un 4.90 % y un 2.71 %, respectivamente (p ≤ 0.05). En cuanto al diámetro del tallo y el número de hojas, no se observaron diferencias en ninguno de los dos grupos de tratamiento (sin y con estrés) en ninguna evaluación.

La Figura 1 muestra los resultados de la biomasa seca de las plantas. Respecto a la biomasa seca aérea en los tratamientos sin estrés, la SSE superó a la AC en un 9.56%, y en los tratamientos con estrés, la SSE + 45 ℃ superó a la AC + 45 ℃ en un 6.66% (p ≤ 0.05). Para la biomasa seca de la raíz, no hubo diferencias entre los dos grupos de tratamientos. Para la biomasa seca total, solo hubo diferencias para los tratamientos sin estrés, donde la SSE superó a la AC en un 8.58% (p ≤ 0.05). La Figura 2 muestra imágenes de las plantas de tomate utilizadas en el experimento.

Conductancia estomática

Respecto a la conductancia estomática, se observó una disminución significativa en los tratamientos de estrés (p ≤ 0.05) (Figura 3), lo cual es normal, ya que forma parte del mecanismo de defensa de la planta. En los tratamientos sin estrés, se observó una diferencia muy marcada entre la aplicación de los extractos (producto comercial de Ascophyllum nodosum (ANCP) y SSE) y el AC, donde este último presentó los valores más bajos en las tres evaluaciones. En este caso, el estrés se aplicó solo una vez, entre los 20 y 21 DAT, momento en el cual los tratamientos estresados ​​fueron iguales, y se encontró una diferencia a los 31 DAT, donde ANCP + 45 ℃ y SSE + 45 ℃ fueron superiores a AC + 45 ℃ en un 58.34% y un 63.57%, respectivamente (p ≤ 0.05).

Pigmentos fotosintéticos

La Figura 4 muestra los resultados de los pigmentos fotosintéticos, donde se observan diferencias significativas entre los tratamientos. Para la clorofila a, en los tratamientos sin estrés, SSE aumentó la concentración en 33.76% (11 DAT), 26.66% (21 DAT) y 13.22% (31 DAT), en comparación con el AC (p ≤ 0.05). En los tratamientos con estrés solo hubo diferencias a los 21 y 31 DAT, donde la concentración del grupo SSE + 45 ℃ superó a la del grupo AC + 45 ℃ en 22.05% y 12.38%, respectivamente (p ≤ 0.05). A los 21 DAT, la concentración del grupo ANCP + 45 ℃ también fue mayor que la del grupo AC + 45 ℃ (p ≤ 0.05).

Respecto a la clorofila b, solo hubo diferencias en los tratamientos sin estrés, donde la concentración del grupo SSE fue mayor que el AC a los 11 y 21 DAT en 12.40% y 11.96%, respectivamente (p ≤ 0.05).

Para la clorofila total, en los tratamientos sin estrés, la SSE aumentó la concentración en un 23.71 % (11 DDT), 19.84 % (21 DDT) y 10.58 % (31 DDT), en comparación con el AC (p ≤ 0.05). En los tratamientos con estrés, la SSE + 45 °C aumentó la concentración en un 13.33 % (21 DDT) y 7.45 % (31 DDT), en comparación con el AC + 45 °C (p ≤ 0.05).

Actividad enzimatica

El experimento también cuantificó la actividad de enzimas eliminadoras de ROS como la superóxido dismutasa (SOD), la catalasa (CAT) y la ascorbato peroxidasa (APX) (Figura 5). Es notable que las tres actividades enzimáticas aumentan con el estrés y con la aplicación de extractos de algas. En este sentido, los efectos de aplicar SSE sin estrés fueron estadísticamente mayores que AC, y de igual manera el efecto de SSE + 45 ℃ fue mayor que AC + 45 ℃ (p ≤ 0.05), para SOD, CAT y APX en los tres muestreos (11, 21 y 31 DAT), lo que nos habla del efecto bioestimulante de SSE bajo condiciones estándar de crecimiento y bajo estrés por altas temperaturas. El ANCP tuvo un efecto similar al SSE para CAT, donde en condiciones sin estrés y con estrés, fue mayor que AC y AC + 45 ℃, respectivamente. La aplicación de ANCP en condiciones de estrés provocó un aumento significativo (p ≤ 0.05) en la SOD a los 11 y 21 DAT, en comparación con AC + 45 ℃. Sin embargo, para APX, el ANCP sin estrés fue igual al de AC y el ANCP + 45 ℃ fue igual al de AC + 45 ℃.

Proteínas totales

En los tratamientos sin estrés, los efectos del SSE en los tres muestreos fueron superiores a los del AC, y los efectos del ANCP solo superaron a los del AC a los 21 y 31 DAT (p ≤ 0.05) (Figura 6). Con respecto a los tratamientos con estrés, solo a los 31 DAT se observaron diferencias, siendo el ANCP y el SSE superiores a los del AC (p ≤ 0.05) (Figura 6).

Antioxidantes no enzimáticos y capacidad antioxidante

La Tabla 2 muestra los resultados de antioxidantes no enzimáticos y capacidad antioxidante en las hojas de plantas de tomate. En cuanto al contenido de fenoles totales, solo se observaron diferencias a los 21 y 31 DDT en los tratamientos estresados, donde la SSE + 45 °C superó a la AC + 45 °C en un 18.17 % y un 19.33 %, respectivamente (p ≤ 0.05).

Para el ácido ascórbico, en los tres muestreos, ANCP y SSE fueron superiores a AC en los tratamientos sin estrés, y de igual manera en los tratamientos con estrés, ANCP + 45 ℃ y SSE + 45 ℃ fueron superiores a AC + 45 ℃ (p ≤ 0.05).

En cuanto a la capacidad antioxidante, en los tratamientos sin estrés, solo se observaron diferencias a los 11 DDT, siendo el ANCP y el SSE superiores al AC (p ≤ 0.05). En los tratamientos con estrés, el ANCP y el SSE fueron superiores al AC en los tres muestreos (p ≤ 0.05).

Expresión de genes de defensa

Dada la mayor capacidad de los extractos de algas para neutralizar ROS mediante la estimulación de los sistemas antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos, se examinaron los niveles de transcripción de nueve genes relacionados con el estrés (NCED1, HSP70, PIP2, P5CS1, ERD15, Fe-SOD, CAT1, cAPX2 y PAL5-3) (Figura 7).

Se puede observar que en el primer muestreo a los 11 DAT, donde las plantas aún no estaban sometidas a estrés, la expresión génica estaba algo dispersa entre todos los tratamientos; sin embargo, a los 21 y 31 DAT, cuando las plantas ya habían sido sometidas a estrés, la expresión génica se disparó en los tratamientos con aplicación de extractos y estrés por altas temperaturas.

A los 21 DAT, tras el estrés y la tercera aplicación de los extractos, los tratamientos con ANCP y SSE en condiciones de estrés sobreexpresaron la mayoría de los genes estudiados, destacando HSP70, ERD15 y Fe-SOD. A los 31 DAT, el uso de los extractos en condiciones de estrés también incrementó la expresión de los genes evaluados, destacando NCED1, HSP70, P5CS1 y ERD15. En general, el SSE en condiciones de estrés indujo un aumento de la expresión de todos los genes a los 21 y 31 DAT.

Además, la aplicación de los extractos de algas en condiciones libres de estrés, principalmente a los 21 y 31 DAT, reprimió la expresión de los genes PIP2, P5CS1, Fe-SOD, CAT1, cAPX2 y PAL5-3.

Estos hallazgos transcripcionales respaldan los datos observados a través de los análisis fisiológicos y bioquímicos en el estudio y argumentan a favor de una fuerte participación de los extractos de algas pardas en la activación del sistema de defensa de las plantas de tomate sometidas a estrés debido a altas temperaturas.

Discusión

Actualmente, el uso de bioestimulantes en cultivos agrícolas es una práctica recurrente debido a los múltiples beneficios que aportan a las plantas y al medio ambiente. Los extractos de algas pardas, gracias a su gran cantidad de biomoléculas, se encuentran entre los bioestimulantes más prometedores.

Estos efectos positivos sobre el crecimiento vegetal, la biomasa y la conductancia estomática inducidos por los extractos de algas pardas se deben principalmente a su contenido de carbohidratos, prolina y glicina-betaína, osmolitos que ayudan a las plantas a retener agua en condiciones de estrés, mejorando la regulación hídrica, la fotosíntesis y el desarrollo de los meristemos foliares, florales y radiculares. Además, los extractos de algas pardas pueden estimular el metabolismo del carbono y el nitrógeno, lo que puede mejorar el crecimiento y la biomasa de las plantas.

Las altas temperaturas provocan un déficit de presión de vapor muy elevado, lo que resulta en una alta transpiración que compite con el flujo de agua de otros órganos. Cuando la transpiración supera la absorción de agua, se producen quemaduras en hojas, tallos, flores y frutos, así como daños en las raíces, lo que resulta en un menor desarrollo agronómico y producciones de baja calidad. Con el estrés por altas temperaturas, las plantas pueden eliminar ciertas partes de sus órganos o, en ocasiones, eliminarlos por completo. Esto puede deberse a quemaduras o como respuesta de defensa para evitar tener que consumir energía para mantener estos órganos. Para ello, las plantas cuentan con una red de señales en cadena en su sistema de defensa que les informa sobre el estrés por altas temperaturas y, de esta manera, se elevan inmediatamente los niveles de etileno y ácido abscísico (ABA), compuestos responsables de la senescencia y la abscisión de los órganos.

Cuando el estrés por altas temperaturas se prolonga y la transpiración de las plantas ya ha superado la absorción de agua por las raíces, estas cierran sus estomas como medida de defensa para evitar la pérdida de agua en la medida de lo posible, lo que resulta en una disminución de la conductancia estomática y un consiguiente aumento de la temperatura foliar. Sin embargo, los extractos de algas pardas pueden mejorar esta condición gracias a su considerable concentración de osmolitos.

En cuanto a los pigmentos, se observa que estos aumentan con la aplicación de extractos de algas pardas. En este sentido, es común que la aplicación de dosis bajas de extractos de algas pardas aumente la concentración de pigmentos en las plantas, debido principalmente a la glicina-betaína, que protege la estructura proteica extrínseca del complejo fotosintético, particularmente en el fotosistema II. Además, la glicina-betaína mantiene la actividad fotosintética al mejorar la actividad de RUBISCO y la estabilidad de los cloroplastos.

Cuando el estrés por altas temperaturas se prolonga, las clorofilas tienden a degradarse. Esto se debe a la activación de enzimas como las clorofilasas y las peroxidasas, que descomponen las estructuras de la clorofila. Las altas temperaturas también incrementan la síntesis de ROS, que afectan las membranas de los cloroplastos y oxidan directamente las clorofilas. Además, las altas temperaturas inhiben genes clave en la biosíntesis de la clorofila.

Entre los efectos que se pueden obtener con la aplicación de extractos de algas pardas y el estrés por altas temperaturas se encuentran los parámetros agronómicos y fotosintéticos ya mencionados. Sin embargo, también existe una influencia en el sistema antioxidante (enzimático y no enzimático), donde todos estos efectos responden a la expresión de genes de defensa. El estudio demostró que los extractos de algas pardas aumentaron el sistema antioxidante (enzimático y no enzimático) y la expresión de genes de defensa, y en algunos casos se observó represión.

Es evidente que el estrés por altas temperaturas y la aplicación de extractos de algas influyeron en el sistema antioxidante y la expresión de los genes evaluados. Existen diferentes vías a través de las cuales se puede lograr la expresión de genes de defensa, y la más conocida es a través de receptores de membrana con la capacidad de unirse a los metabolitos de los extractos (aminoácidos, fenoles, carotenoides, carbohidratos, fitohormonas y compuestos inorgánicos) y percibir el estrés térmico. Cuando esto ocurre, el Ca2 ⁺ apoplástico y el que se encuentra en las vacuolas se transporta al citoplasma y se une a proteínas llamadas calmodulinas, formando un complejo que activa quinasas de proteínas con la capacidad de fosforilar factores de transcripción, los cuales viajan al núcleo para unirse a secuencias de ADN específicas, regulando así la expresión génica. Esta acción permite la síntesis de proteínas con actividad antioxidante como SOD, CAT, APX, glutatión peroxidasa (GPX), etc., que constituyen la primera línea de defensa contra el estrés al neutralizar las especies reactivas de oxígeno (ROS). También se pueden sintetizar proteínas como la fenilalanina amoníaco liasa (PAL), la L-galactosidasa mitocondrial y la glutatión sintasa, que sintetizan compuestos fenólicos, ácido ascórbico y glutatión reducido, respectivamente, compuestos con la mayor actividad antioxidante en las células vegetales. Sin embargo, las biomoléculas presentes en los extractos de algas pueden penetrar a nivel celular e iniciar directamente el proceso de señalización para la posterior expresión de genes de defensa o actuar directamente en la reducción de especies reactivas de oxígeno (ROS).

Los genes evaluados tienen funciones primarias en el sistema de defensa de la planta. El gen NCED1 codifica para la enzima involucrada en la síntesis de ABA, una fitohormona que juega un papel crucial en la respuesta al estrés osmótico al regular la apertura y cierre estomático. El gen HSP70 codifica para una proteína de choque térmico cuya función es prevenir el plegamiento incorrecto y la desnaturalización de otras biomoléculas bajo condiciones de estrés térmico. El gen PIP2 codifica para una acuaporina con la capacidad de regular el transporte de agua en todos los órganos de la planta. El gen P5CS1 codifica para la enzima que sintetiza el osmolito prolina, un compuesto de gran importancia en la regulación hídrica de la planta. El gen ERD15 codifica para una proteína de deshidratación de respuesta temprana responsable de la renaturalización y protección de biomoléculas expuestas al estrés térmico y osmótico.

La aplicación de extractos de algas pardas a plantas de tomate no solo promovió un mayor crecimiento y biomasa en condiciones estándar de crecimiento y estrés por altas temperaturas, sino que también se acompañó de mejoras fisiológicas y bioquímicas clave. El aumento de la concentración de clorofila está directamente relacionado con una mayor actividad fotosintética, que induce la síntesis de fotoasimilados esenciales para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Además, el aumento de la actividad de las enzimas antioxidantes (SOD, CAT y APX), junto con el aumento de antioxidantes no enzimáticos, proporciona a las plantas una mejor capacidad para mitigar el estrés oxidativo, ayudando a mantener la integridad celular y prolongar la funcionalidad tisular. Asimismo, la sobreexpresión de genes de defensa refleja una respuesta molecular que sustenta los cambios fisiológicos observados. En conjunto, estas respuestas integradas explican cómo la estimulación con extractos de algas pardas fortalece tanto los procesos fotosintéticos como los mecanismos de defensa, lo que resulta en un mayor crecimiento y acumulación de biomasa en plantas de tomate sometidas a estrés por altas temperaturas.

Conclusiones

En este estudio, se demostró que la aplicación de extractos de Sargassum spp. y Ascophyllum nodosum mejoró algunos parámetros de crecimiento y biomasa de plantas de tomate en condiciones óptimas de crecimiento y estrés por alta temperatura. Además, la conductancia estomática, las clorofilas, los antioxidantes y la expresión génica aumentaron con los extractos en ambas condiciones de crecimiento, siendo los extractos de Sargassum los más efectivos. Representa una alternativa prometedora para mitigar este tipo de estrés en las plantas. Por lo tanto, se necesitan más estudios sobre el uso de extractos de algas pardas en plantas sometidas a dicho estrés y para analizar otros compuestos como ROS, fitohormonas, osmolitos, minerales y algunos otros antioxidantes y genes que indican el estado de las plantas.

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